两千多年前，墨子在《经说下》中写下“光之⼈，煦若射。”这⼀句，并意识到“光沿直线传播”这⼀现象。两千多年后，2016年8⽉16⽇，以“墨⼦”命名的量⼦科学实验卫星“墨⼦号”升空，将利⽤“光”继续书写⼈类信息传输的未来。
2016年8⽉16⽇，中国发射全球⾸颗量⼦通信卫星“墨⼦”号，图⽚来源：新华社。如今，设定使⽤寿命仅2年的“墨⼦号”，已经在轨道上运转6年时间，更是超额完成了不少拓展科研任务。
很多⼈可能看到“量⼦”两个字就满头疑惑，到底什么是量⼦？“墨⼦号”量⼦科学实验卫星进⾏了哪些⼯作？它⼜和“量⼦”有什么联系？别急，让我们⼀个⼀个了解它们的秘密。
什么是量⼦？在⽣活⾥，我们可能经常会听到“遇事不决，量⼦⼒学”这句话，也经常会看到如“量⼦速读”这种打着“量⼦”旗号的伪科学，那么“量⼦”具体是什么？这⼀问题其实不难理解。
我们⽣活中的⼀切物体，都有构成其⾃身的最⼩单元，⽐如构成“⽔”的最基本单元是“⽔分⼦”。光也是如此，我们从⼀根激光笔中射出⼀束光线，将这束光线进⾏细分，分到的最基本单元就是“光⼦”。我们把构成物质世界的最基本单元，就叫做“量⼦”。“墨⼦号”在进⾏实验时使⽤的“量⼦”，就是“光量⼦”，即“光⼦”。
“墨⼦号”都进⾏了哪些实验？在回答这个问题前，我们先来聊聊⼤家⽐较热衷的“⽹购”这件事。
在⼿机还没有被开发出扫指纹、刷脸验证之前，我们⽹购下单时总需要在屏幕上输⼊⽀付密码，可能⼤部分⼈都考虑过⼀件事：万⼀我的密码被⼈截获了怎么办？确实，不仅是我们的⽀付密码，所有从A地到B地传送的通信信息，都有可能在中途被截获、破解，造成我们的信息泄露。
此刻可能有⼈就会想到，那么我们制作⼀个密码本，把我们发出的⽀付密码等信息先进⾏加密，然后在接收时候利⽤同⼀个密码本进⾏解密，这样不就可以完成信息加密了吗？道理是没错，但遗憾的是密码本可能会被破译甚⾄直接被盗取，这样⼀来加密也就没有任何作⽤了。那难道就没有完全安全的加密⽅法了吗？别急，不要忘了我们今天的主⻆——“墨⼦号”。
“墨⼦号”的诞⽣，⼀个重要的使命就是为了保障通信安全。传统的密码本不够安全？
没关系，我们⽤量⼦技术⽣成⼀个“密码本”，这个“密码本”⾜够随机，⽽且⼀旦被第三⽅截获就会被通信双⽅知晓。作为量⼦科学实验卫星，“墨⼦号”有三个重要实验要完成：千公⾥级量⼦密钥分发、千公⾥级星地双向量⼦纠缠分发，和千公⾥级地星量⼦隐形传态。在完成了这三⼤既定科学⽬标后，“墨⼦号”还开展了多项有重要意义的拓展实验，不断实现新的突破。
看到这些“量⼦”⼜要眼前⼀⿊了？别紧张，它们其实并不难理解，让我通过墨⼦号的这三⼤既定科学实验来讲给你听。
量⼦密钥分发是在做什么？它有什么⽤？刚才我们说到，为了保证真正的通信安全，需要⽤到量⼦技术来制作“密码本”。“墨⼦号”的量⼦密钥分发任务就是利⽤“墨⼦号”这颗卫星，通过从太空往地⾯发送⼀个个光⼦，来⽣成“密码本”。那么这⼀个个光⼦，是如何形成“密码本”的呢？
想了解这⼀问题，我们⾸先要学习⼀些关于光⼦的知识：偏振、观测、⽐特和不确定性。
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：1. ⾸先，发送者会随机⽣成⼀串⽐特密码；2. 随机选择⼀种观测形式（“+”或“×”）；3. 根据随机产⽣的⽐特以及观测形式，来制备⼀个偏振光⼦；4. 然后将光⼦发送给接收者；5. 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；6. 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·本内特和吉勒·布拉萨所提出的⼀种⽅法。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。
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，图⽚来⾃墨⼦沙⻰。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”。⽽量⼦纠缠，是两个量⼦的组合的某种奇特的叠加态，它们之间“冥冥中⾃有定数”——⼀旦其中⼀个量⼦被观测，另⼀个量⼦的状态也会⽴刻被知晓。
再次⽤猫咪举例便是：我有两只被关在密闭盒⼦⾥的猫，它们都处在“⽣”或“死”的叠加态，⽽且它们是“纠缠”在⼀起的，即如果我打开⼀个盒⼦，看到了⼀只叠加态坍缩为“死”的猫，那么另外⼀个盒⼦⾥的猫的叠加态也会坍缩，⽽且⼀定坍缩为“⽣”。这种量⼦纠缠是不受距离限制的，是“⾮定域性”的。即便是⼀只猫在地球上，另⼀只猫在宇宙的另⼀⻆，这种奇特的联系仍然会瞬时发⽣。
爱因斯坦将这种跨越空间的量⼦纠缠现象称为“⻤魅的超距作⽤”，他对此感到忧⼼忡忡，转⽽提出“定域隐变量理论”来解释这种神奇的联系。为了验证孰对孰错，物理学家⻉尔提出了⼀个不等式和⼀个实验⽅法，如果实验结果符合不等式，那么就⽀持爱因斯坦的“定域性”理论；如果实验结果违背了不等式，则驳斥了爱因斯坦的“定域性”理论。
可惜，实验结果并没有站在爱因斯坦这边，量⼦⼒学中的这种“⻤魅的超距作⽤”是真实存在的，量⼦纠缠确实是“⾮定域性”的。实验是检验真理的唯⼀标准，真理来⾃于严密的实验结果，即便提出反对的是爱因斯坦。实验结果表明，这次爱因斯坦错了。图⽚来⾃墨⼦沙⻰。直⾄今⽇，许多科学家仍然在进⾏着⻉尔提出的这个量⼦纠缠实验：将两个纠缠态量⼦放在⾜够远的距离，随后进⾏观测，看看得出的观测结果是否符合⻉尔不等式。
同样，我国也在云南丽江和⻘海德令哈两个地⾯站之间进⾏了量⼦纠缠实验，并且是全世界最远——相距1200千⽶的量⼦纠缠实验。“墨⼦号”的作⽤，就是在太空中向这两个地⾯站发射⼀对纠缠的量⼦。这个实验的成功，为将来我国基于量⼦纠缠的量⼦保密通信打下了基础。2020年，墨⼦号实现了基于纠缠的千公⾥级量⼦保密通信。
量⼦隐形传态是什么？可以实现远程物质传输吗？
在回答这个问题前，我们先来看⼀个异地恋⼩故事：有⼀对情侣A和B，其中B⽐较恶毒，但双⽅依然进⾏着异地恋，相互“纠缠”。同时，他们有两个共同的朋友C和D，分别在两地观察着A和B。有⼀天，A遇到了X，X不像B那么恶毒，很友善，于是A和B断绝“纠缠”，和X在⼀起，开始⼀种新的“纠缠”。
此时朋友C观察到了这⼀事件，拍了照⽚告诉了朋友D，D看了照⽚之后，对B进⾏了⼀些友谊上的教育，B被教育后幡然醒悟，弃恶从善，从此也变成像X⼀样变成了⼀个善良的⼈。在这个例⼦⾥，我们可以将A和B作为两个纠缠的量⼦，C和D分别为A和B所在位置的科学家，⽽X则是未知量⼦态，科学家希望通过“量⼦隐形传态”的⽅式将这⼀未知量⼦态传送到B上。
整个传输过程中，量⼦X本身并没有被传送，⽽是X的状态被传送到了B上——正如异地恋例⼦⾥X善良的状态传给了B，从⽽让B的状态也从“恶毒”变成了“友善”。这便是“量⼦隐形传态”。不过要注意的是，在“量⼦隐形传态”时，A和B的纠缠消失，和A和X产⽣新的纠缠，⼏乎是同时发⽣的。你会发现，在“量⼦隐形传态”中，只是把量⼦X的状态进⾏了传输，⽽粒⼦本身并没有被传送。
这和科幻作品中的物质远程传送有很⼤区别，想将物体通过量⼦技术从A地传送到B地，⽬前来看还不现实。
“墨⼦号”到底能为我们做什么？如果你看到这⾥，那么恭喜你，你已经基本了解了“墨⼦号”量⼦科学实验卫星所承载的三项主要科学实验是什么了。不过这时你可能会问：这三个实验，对我⼜会有什么影响呢？每⼀个新理论的发现和新技术的实现，从根本上都代表着⼈类对未知世界迈出新的⼀步。
“墨⼦号”是我国最先进的量⼦通信技术结晶，在国际上也是领先⽔平。量⼦通信技术已经开始出现在⺠⽤和商⽤领域，在未来，更加成熟的量⼦通信技术将会更⼴泛地应⽤在通信、⾦融、国防等诸多⽅⾯。