从“墨子号”到“济南一号”，量子通信卫星的成功发射，让看似高深莫测的量子通信走进了公众视野。量子通信如何为通信安全“保驾护航”？未来量子通信将如何改变每一个人的生活？
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光子的产生和探测
王一：信息的传递都需要媒介。在古代，这种媒介被称为信使。到现代，我们开始用无线电波来传递信息。那未来，人类是否有更厉害的通信手段呢？答案是有的，我们可以让无线电波，即电磁的振荡。如果振荡持续衰减到几乎无法检测的程度，理论上可以认为它接近电磁波的量子化的基本组成单元，即光子。光子是未来量子通信的重要媒介，科学家们通过发射和接收一个个的光子来传递信息。那么单个的光子是怎么产生的？又将如何探测单个的光子呢？
曹原：经过最近二三十年的发展，人类对单光子的探测已经可以做到非常好。图片中呈现的是直接用相机拍到的，我们用非线性光学的办法来产生纠缠光子的图像，基本上是每秒钟10^6个左右的光子形成的两个环，这种非线性光学的办法会将两个环中间交叉的部分收集进来，成为实验中可用的纠缠光子对。纠缠光子对被收集后，需要区分为一个个光子。
光子的探测，则是用另一种探测器——雪崩二极管，利用其雪崩效应，可以把微小的光电流放大成可以被探测到的程度。用这种单光子的探测器就可以把一个个的光子探测出来。现如今，人类对单光子的探测效率，也叫量子效率，可以接近百分之百。
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量子通信与量子纠缠的关系
王一：大家对纠缠现象都很好奇，那么量子纠缠和量子通信二者间是什么关系呢？
任继刚：量子通信的载体是光子，而纠缠光子是量子力学预言的一种特殊光子对，无法区分。一对光子取自两环的交点处，无法分辨上面的光子来自左边的环还是右边的环。不去探测时，它处于不可分辨的状态。
量子纠缠应用广泛。用于量子通信时，可以实现如保密安全通讯。除此之外，更重要的是利用量子纠缠传递区别于经典状态的光子，类似于量子隐形传态。当然，量子通信也不一定要用纠缠光子，也可以用单光子源。不管是这种弱相干光还是纠缠光子，只有将信息加载在它上面进行相关的调制解调，才能进行信息传递。
王一：在我国量子领域内，无论是量子信息、产生量子纠缠等各方面都处于世界领先状态。其中一个非常重要的成果就是“墨子号”的实验卫星，那么在“墨子号”中量子通信用的是哪种光子呢？
曹原：在“墨子号”的量子通信中，即量子密钥分发任务上，两种光源——单光子源和纠缠光源，均有应用。
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量子通信能超过光速吗？
王一：很多朋友都看过科幻小说《三体》，其中通过所谓的量子感应，在三体人的星球可实现瞬时监控地球上发生的事。那么量子通信能否实现瞬时的、超光速的信息传递呢？
任继刚：现有的物理学体系还是支持光速最大，没有真正超光速的信息传递。量子纠缠中的两个光子在数学上的塌缩没有时间间隔，也就是说，一个光子改变了，另一个光子就瞬时改变。
量子的世界有一定的随机性。因为存在这种随机性，我们无法确定传递的是什么态，比如量子隐形传态。把一个待传送的状态和留在本地的纠缠光子进行一个操作，那么处在另一边的纠缠光子瞬间改变，随机地变到最简单四个状态的其中一个，具体哪个状态不得而知，但这四个状态是关联的，需要借助光速进行传递，来告诉那边的测量结果是哪种结果。但这四个结果并不包含要传递信息的任何内容，但根据这个结果，可以把状态恢复过来。
王一：比如A有一个光子，B有一个光子，它们相互纠缠。如果A测量了光子，自旋向上，另一边必然向下，但无法用它来传递信息，因为A无法控制测量时向上或是向下，比如A想告诉B三体星球的股票涨了，想让B看到一个向上的箭头，那么A必须测到一个向下的箭头，但A无法控制自己测到向上还是向下的箭头，因此即使关联不受光速的限制，也无法通过这样的一个量子关联去传递诸如股票涨跌这种通常意义上的信息。
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量子通信的重要性
王一：既然三体中的瞬时通信无法实现，只是一份美好的科学幻想，那么我们为什么还要发展量子通信？量子通信的重要性又体现在哪里？
任继刚：量子科技更多的讨论量子计算、量子精密测量等大领域，而量子通信本身有部分内容与现实生活有关，比如用量子的原理保证密码分发的安全性。也就是说，在两个合法用户之间分发密码本时，是不可能被其他人窃听的。这对于信息安全领域十分重要。
曹原：量子计算提供了一种提升算力的可能性，其中最主要的应用是Shor算法。Shor算法是目前为止最成功的量子计算算法，其最主要的目标是破解现在公钥体系的基础。如果一个能够运行Shor算法的量子计算机面世，那么现阶段所有的公钥体系都将变成纸老虎。因此，在其未诞生时想方设法从根本上解决量子计算的威胁，这就是量子通信的重要性。量子计算每一次突破性的进展都更加坚定了人类发展量子通信的必要性。某种程度上，大自然给予我们一杆锋利的矛，即量子计算，可以攻克现在的密钥，但同时也给予我们防御它最好的盾——量子通信。
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苦中作乐的科研生活
王一：量子力学和日常生活中的经验非常不一样，听起来让人很迷惑。那么科学家在实际做科研的时候是迷惑的还是欢乐的，还是两者的叠加态，具体是什么样的感受呢？
任继刚：做通讯的目标是为了把信息传得更远，所以我们和传统意义上在实验室中做实验的科学家不太一样。
十年前，卫星发射还是一个奢侈的事情，为确保所发射的卫星正常工作，需要利用大量的地面模拟实验进行验证。假设卫星要实现一千公里，不可能在实验室内做一两米的实验来证明卫星未来的可行性，至少需要从十几公里外进行模拟实验。我们最远做到百公里。百公里地点的选取也需要仔细考量，因为光是直线传播的，考虑到地球曲率和中间遮挡的问题，实验必须找一些合适的地点。
最终，做百公里外场验证选择的是我国最大的咸水湖——青海湖，图片是我们在青海湖实验时期的照片。青海湖湖面平坦，地球曲率在百公里无遮挡，天气好，风景好，但相对比较艰苦，人类文明还没有过多污染。
另外一张照片是在湖中心小岛做纠缠分发，需要把纠缠光子分开一百公里再探测，我们把产生纠缠源的设备放在青海湖湖中心小岛上，一个光子往北发，一个光子往南，到两岸差不多一百公里。通过这个实验证明了光子即使分开一百公里，依然保持着远距离的互动，这样如果将纠缠光子放到卫星上，一个发到青海德令哈，一个发到云南丽江，一千两百公里，我们也能够很好地收到它，并且验证这种远距离的互动到底还存不存在。这相当于“墨子号”卫星上天前的技术验证，验证了这个技术是可以成功放到卫星上的。
▲ 在湖中心小岛的生活
任继刚：这两张图片是在西藏阿里做实验的照片，我们选择了海拔五千一百米的站点，通往站点的路其实是挖掘机挖出来的，把地面挖一下，再把它压平，那段路只有挖掘机或四驱越野车可以上去，我们只好把设备放在挖掘机的斗里面，让它慢慢地往前挪，实验人员在边上扶着设备，三公里左右的距离，海拔五千多米的站点，大概走了半天的时间，才把设备安全地运到站点。
这张照片是我们在青海湖的湖中心小岛上做实验，那个岛不对游客开放，岛上没有水，也没有电，是个荒岛。 岛上有一个藏传佛教的尼姑庵，有一些僧人在上面，我们当时住在僧侣的客房，这张图片就是我们每天到山脚下的井打水用。因为我们每十天运上来的矿泉水是要拿来喝的，日常用水就靠人力去在山脚下背湖边的井水。
这两张照片是在西藏阿里站装设备，西北地区基本上9月份就开始下雪，而青海湖实验周期是9月份到11月份，团队只是在山顶上搭了一个帐篷，有一次下大雪，积雪太厚容易将帐篷压塌，我们就只能三班倒，拿铁锹站在帐篷边，频繁铲雪来保证设备安全。
回忆起那个时候，我们大概二十多岁，尽管照片中看上去非常艰苦，但我们却觉得是一段很有趣的经历，每每回忆，想起来的都是在山上的趣事。
2010年的时候，山上没有信号又要满足上网的需求，我们就在山顶和岸边架了一个无线网桥，搭起局域网，让岸边的人拿笔记本电脑，插上无线网卡，通过无线网桥再把信号传递到岛上，用邮件或者qq来了解一下外面的世界，甚至可以局域网组队打打游戏，挺好玩的，科技的力量是无所不在的。
王一：科研人员也不是大家想象的，一天到晚伏案推公式，或者一天都面对着实验仪器，还有很多其他有趣的生活。这张照片非常漂亮，像星空一样，能为我们讲解一下吗？
任继刚：科研之余，科研人员会拍拍星空。这张照片是利用地球自转拍摄的星轨图，图中的绿光是卫星发出的信号光，用于指示其在天空中的位置。而红光则是地面发射的信标光，用来向卫星指示地面的具体位置。通过双向探测，可以确定地面和卫星的连线，把很窄的光发送到卫星，再发送下来。
这张照片中的气球也是在青海湖做的实验，当时是第一次做卫星，为了确保实验的准确性，我们做了非常多的模拟，比如卫星相对地面会高速运动，这个运动怎么模拟？我们尝试了多种方法来模拟这种高速运动，包括使用转台、皮卡车，甚至动用了大型吊车、热气球来模拟卫星在不同条件下的动态环境。
与地面实验不同，卫星一旦发射升空，就没有机会进行修正。因此，我们必须在地面上充分考虑所有可能的情况，排除一切潜在的风险，确保卫星的成功发射和运行。
王一：这张图片是我们的优秀团队吧，能介绍一下吗？
曹原：中间的女生是印娟老师，是我们团队最优秀的女科学家。在五千一百米的艰苦条件下，也有女生的身影。
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量子通信学术之路
王一：研究量子科学苦中有乐，科学家是如何踏上这条道路的，学术上的成长历程又是怎样的呢？
任继刚：走上物理这条道路很神奇，因为语文不好，高三时我花了大量时间去刷语文题目，1996年，在做阅读理解时我看到了一篇文章——《光脑》。那时电子计算机还不普及，但文章中说21世纪光可能会取代电子作为计算的载体。那时我作为学生觉得非常神奇。大学时的第一个项目是做激光器的探测，做了一个光束分析仪。大二时期进入光学实验室，开始做激光器方面的研究。到博士期间，我开始做冷原子物理，但因为2003年非典等各种各样的原因导致这个项目做得非常不成功。
2004年左右，我在一段迷茫的过程中，很幸运遇到了潘建伟院士，带我走上了量子通信道路。因为我们都是学光学的，他正好需要人手，我就过去建实验室，做外场实验。大概从2005年到2007年，用两年的时间把第一个实验，在长城做的十六公里量子引擎做出来。毕业时潘老师说我们要做卫星，就继续做了。一直做到现在第一颗卫星做完，稳定运行了快八年，第二颗卫星也在做。
曹原:我的经历和书有很大关系。上初、高中时，我就对物理感兴趣，特别想从事物理领域的工作。最主要的启蒙是两本书，一本是《吴健雄传》，一本是《费曼传》。当时虽然没有接触过像量子力学、量子场论等高深的东西，但是通过读这些传记，我感受到科学家的工作经历，当时就埋下了物理的种子，之后一直朝着这个方向努力，后来加入了“墨子号”团队。很幸运，这些科学家成为我心目中的偶像，所以我一直朝着这个方向去努力。
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未来的量子卫星
王一：第一颗“墨子号”量子卫星很多朋友都知道，那么下一代卫星会有什么令人期待的成果吗？
任继刚：“墨子号”主要做量子，一个是量子密钥分发，另一个我们比较关心的是基础物理方面，比如量子纠缠是不是真正的存在？量子预言可能无视距离，是不是真的无视距离？从十公里、百公里到千公里，新一代的“墨子号”可能这两个方面要继续做下去。
做通讯可能突破“墨子号”目前的一些限制，把纠缠检验从千公里拓展到万公里，差不多地球尺度。
其他更关心的是，量子通讯的技术应用到更基础科学的领域中去，比如更高精度的钟，用光做钟，现在的频率标准是原子钟，将更高精度的钟搬到天上去，期待用它去做一些更基础的物理，比如导航或者是对秒的定义都可能会用到。“墨子号”是个科学卫星，对于科学家来讲，更关心的还是基础物理检验，弄清基础物理的核心问题。
王一：当未来这些量子技术大规模的应用后，我们的生活会变成什么样子？
曹原：现在量子通信已经具备应用条件，我们生活中现在已经有一些相关的产品，比如量子耳机。量子耳机生成密钥，用密钥来加密通过耳机说的话，只有有同样设备的人才能获取具体内容。
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如何更好地向大众传播量子科学？
王一：量子并不遥远，在未来无论是在安全领域，还是像量子计算等其他应用，将会改变我们的生活。虽然量子耳机让我们对未来充满想象，但市面上也有一些打着量子旗号的产品，未必靠谱。比如“量子水”、“量子鞋垫”，怎样去让大家更好地分辨真伪，如何向大家传播量子科学呢？
任继刚：一方面需要科学家更多地为大家科普相关知识。另一方面，目前量子技术大部分处于实验室的验证阶段，只能做一些科学家更感兴趣的事情。如果你发现给你介绍的所谓打着“量子”旗号的产品，是与你生活息息相关的、衣食住行方面的，希望大家对此能多留个心眼。
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