量子通信卫星很难懂？其实和异地恋像极了……( 二 ) _墨子号

偏振：光子可以在某个方向上振动，叫做“偏振” ，光子的偏振根据角度不同可以分为多种，但在这里我们只需要了解其中四种方向：↑ 和 →（即偏振角度 0° 和 90°）、↗ 和 ↘（即偏振角度 45° 和 135°）；

光子偏振的几种形式，每个光子的偏振夹角为 180° ，所以漫画中 135° 光子偏振虽然为“↖” ，但其实和“↘”是等价的。图片来自墨子沙龙。

观测：在接收光子时，会利用一副“特制墨镜”对这些光子进行观测。这副墨镜正着摆放的时候，形态像“+”一样，可以允许 ↑ 和 → 偏振的光子通过；倾斜摆放的时候，形态就像“×” ，可以允许 ↗ 和 ↘ 偏振的光子通过；
比特：科学家规定，用“+”观测后，获得 ↑ 偏振的光子则代表比特“0” ，获得 → 偏振的光子则代表比特“1”；同样，用“×”观测后，获得 ↗ 偏振的光子则代表比特“0” ，获得 ↘ 偏振的光子则代表比特“1”；
不确定性：但是，光子比较特殊。即便是 ↑ 和 → 偏振的光子，也可以通过倾斜摆放的“×”墨镜（↗ 和 ↘ 也同样可以通过“+”）。比如，硬挤进 “×” 的 ↑ 偏振的光子，出来后就会变成 ↗ 或 ↘ ，但具体是哪个？别问，概率都是 50% ，具体不清楚。

如果你还是晕晕的，那下面这个表格会让你更清晰一些：

了解了这些规则后，我们就可以开始着手发送光子、进而制作“密码本”这件事了，步骤如下：

首先，发送者会随机生成一串比特密码，比如是：01001011；
随机选择一种观测形式（“+”或“×”）；
根据随机产生的比特以及观测形式，来制备一个偏振光子，例如：当随机产生的比特是 0 ，观测方式是“+”时，就制备出 ↑ 偏振的光子；当随机产生的比特是 1 ，观测方式是“×”时，就制备出 ↘ 偏振的光子；
然后将光子发送给接收者；
接收者接收到这些光子后，再随机选择一个观测形式“+”或“×”对接收到的光子进行观测，获得观测结果。
最后，发送者和接受者再打个电话沟通一下他们各自的观测方式，将相同观测方式时的结果保留下来，其他的舍弃，就可以获得一个完全随机产生的、安全的初始“密码本”了。

这是一项充满了“随机”的工作。
我们也看到了，接收者如果使用了“+”对“↗”进行观测，便会获得两种结果，即：对光子进行观测后，会使光子的偏振发生改变。这样，中途如果有第三者对光子进行截获，那么一旦使用了“错误”的观测方式，就会让光子的偏振产生改变。从而接收者和观察者通过“对答案”（这次是交流部分初始“密码本”）就能发现问题，舍弃这次生成的“密码本” 。
如此一来，获得的“0100”这串密码，就是双方生成的一次性量子“密码本” 。
以上，便是“墨子号”所进行的量子密钥分发这项实验所使用的方法之一。这种方法名为 BB84 协议，是 1984 年，查理斯·本内特（Charles Bennett）和吉勒·布拉萨（Gilles Brassard）所提出的一种方法。这种方法可以有效发现通信中出现的窃听情况，从而立刻关闭通信，并重新进行新的量子密钥分发。
由布拉萨德和本奈特提出的 BB84 协议。图片来自墨子沙龙。

2017 年 8 月，升空一年后的“墨子号”在国际上首次成功实现千公里级星地量子密钥分发实验。后来， “墨子号”还基于另一种量子密钥分发协议 E91 实现了无中继千公里级的量子保密通信。这为后续构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。
重点四
量子到底在“纠缠”什么？
量子纠缠分发又是在做什么？
提到“纠缠”你会想到什么？两个人之间的心心相印？情侣之间的心有灵犀？没错，在两个量子之间也存在 “心有灵犀” ，科学家把量子之间的这种“心有灵犀”式的联系，称为“量子纠缠” 。

两个存在量子纠缠的光子，图片来自墨子沙龙
在量子力学中有这样一个神秘的名词：叠加态，即对于一个量子，在没有观测它的时候，它可能是两种状态的叠加；而一旦对叠加态的量子进行观测，量子叠加态就会坍缩成其中一个状态。引用一个经典例子就是薛定谔那只既“死”又“活”的猫，被关在密闭容器里的猫身上叠加着“死”和“活”两种状态，这便是猫的“叠加态”；而我们一旦打开盒子，猫的叠加态就会坍缩，我们就可以知道猫到底是“死”是“活” 。