随着神舟十一号飞船返回舱着陆，两名航天员的平安落地，绚丽天宫中的数十项有趣实验，备受瞩目。上期本号带大家开启了神奇的天上宫阙之旅，本期小编将继续带您看看这些有趣的太空实验。

天上传来不可破解的密码

科学家将利用天宫二号开展空地量子密钥分配与激光通信实验，从太空向地面发送不可破解的密码。这个实验与 2016 年 8月升空的世界首颗量子卫星“墨子号”上的量子密钥分发实验一样，目的是建立最安全保密的量子通信，为中国打造坚不可摧的通信系统铺平道路。

中国科学院院士潘建伟说： “这意味着，中国正从经典信息技术的跟随者转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者。

奇异的量子世界

量子是微观世界里最小、不可分割的基本单位。比如，人们日常生活中常见的光就是由大量光量子组成的。量子世界以一种神秘、有趣的方式运行，量子有许多不同于宏观物理世界的奇妙特性，被认为是科学界最玄妙的话题，至今仍充满争议。

量子力学描述世界的语言与经典力学有根本的区别。经典力学描述一个物体的状态，会给出它的明确位置；量子力学描述一个微观粒子的状态，给出的则是叠加态——这个粒子在某些情况下既可能在这里，也可能在那里，没有确定的位置。当对其观测时，量子叠加态将随机地以一定的概率呈现不同态的性质。

描述量子叠加的著名思想实验是量子理论创始人之一、奥地利物理学家薛定谔提出的有关一只猫的实验，因而被称为“薛定谔的猫”。在这个假想的实验中，一只猫被关在盒子里，盒子中还有一个原子核，它有 50% 的可能会发生衰变，而衰变将会放出一个粒子，粒子再触发毒气释放装置。在不打开盒子观察的情况下，原子核处于衰变和未衰变的叠加态中。在这种状态下，猫既是死的又是活的。

薛定谔是用这个假想实验来强调量子理论所描述的“荒谬性”。根据量子理论，这只未观测到的猫既是死的也是活的，直到你对它的观察使得它要么死掉要么活着，两者择其一。

那只既死又活的猫总像噩梦一样让物理学家们不得安宁……量子物理世界的另一个奇异现象是纠缠效应。量子纠缠可以把两个或更多粒子的命运关联在一起。即使隔着一个太阳系，这一奇特关联中的粒子也是“心心相印”的。当测量其中一个的状态时，另一个的状态也会即刻发生相应地改变。

比喻得形象点儿，这就如同两张相距甚远的纸张，人们在其中一张纸上书写的时候，另一张纸上会立刻显现出所书写的信息。爱因斯坦对这种“幽灵般的超距作用”嗤之以鼻，更愿意相信这背后有某种隐藏的物理作用。然而，1972 年，美国物理学家克劳泽等通过实验证实，微观粒子“遥远地点之间的诡异互动”现象真实存在着。

但是为什么会有这种现象呢？科学家现在也不知道。

如果你觉得量子物理太匪夷所思、难以理解也是正常的，因为科学家也有同感。

“当你思考量子理论时如果没有感到眩晕，”量子力学创始人之一——尼尔斯·玻尔说，“你就还没理解它。”骄傲而聪明的美国物理学家理查德·费曼对量子力学的理解比任何人都深刻，他曾写道：“我的那些物理专业的学生也不理解量子力学，因为我自己就不理解。”爱因斯坦被公认为是 20 世纪最伟大的物理学家——颇具讽刺地成为量子理论的奠基者之一——他从来都不喜欢量子概率，还常说他不相信上帝会掷骰子。

许多物理学家相信，量子力学一定还有某些“秘密”尚待发现。

量子“矛”“盾”

尽管神秘、令人琢磨不透的量子力学还迷雾重重，科学家们却已经在开发、利用量子世界了。

从电脑到激光，从核能到生物技术，几乎没有哪个领域不依赖量子理论。量子力学推动和造就了现代世界，全球经济的 1/3 依赖于以量子力学为基础的产品。

但其实，人类还只消化了量子世界奇异特性的很小一部分。中国科学家正在开发威力强大的量子计算机和最安全的量子通信。

量子计算利用量子态的叠加性质，可以实现计算能力的飞跃。“太湖之光”超级计算机需要用 100 年计算的难题，量子计算机或许只需 0.01 秒。

然而，一些人对于量子计算机的恐惧多于期待。有专家指出，对于现有信息安全系统而言，一旦量子计算机横空出世，它将成为一支“利剑长矛”，可以攻破现在所有的密码。

所幸的是，量子物理同时提供了解决这一问题的办法。

如果量子计算机是“利剑长矛”，那量子密钥就是抵御它的“坚固盾牌”，它提供了一种不可窃听、不可破译的新一代密码技术。

潘建伟说，量子密钥分发就是在A和B之间共同生成一串只有他们双方知道的随机数，然后用这个随机数来加密。量子密钥一旦被截获或者被测量，其自身状态就会立刻发生改变，从而一定会被发送方察觉并规避。由于量子密钥分发是最先实用化的量子信息技术，因此一般所说的量子通信即是指的量子密钥分发。

潘建伟打了一个形象的比方，古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆开，就会留下泄密的痕迹。量子密钥在量子通信中的作用比火漆更彻底，因为一旦有人试图打开“信件”，量子密钥就会让“信件”自毁，并让使用者知晓。

利用量子纠缠效应进行信息传递的新型通信方式就叫量子通信。量子通信在国防、军事、金融等领域的应用前景十分广阔。有专家预测，量子通信技术可能在 20 ～ 30 年后对人类社会的发展产生难以估量的影响。量子通信因其传输高效和绝对安全等特点，被认为是下一代通信和计算机技术的支撑性研究，也已成为全球物理学研究的前沿与焦点领域。

然而科学家发现，理论上量子通信在光纤中最远能做到 400 千米，再远就做不下去了。而量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗，从太空向地面发送信号。大气厚度只相当于水平 8 ～ 10 千米，80% 的光可以穿透大气。

在量子密钥分发实验中，天宫二号上的仪器产生光子并发射光子，与之对接的地面系统负责接收光子。然而，要做到天地互动并不容易，这就像是“针尖对麦芒”。

中国科学院上海技术物理研究所研究员王建宇说：“这样的对准精度就好比我们在 1 万米高空的飞机上向地面一个一个扔硬币，这些硬币要准确投入储蓄罐狭长的投币口内，而储蓄罐还在慢慢旋转中；或者说要从上海发射一束光瞄准北京任何一扇窗户，指哪儿打哪儿。”

潘建伟团队还计划在未来的空间站开展“量子调控与光传输研究”，试验星间量子通信技术、全天时量子通信技术等，同时进行量子密钥组网试应用。

本文摘编自中国科学院空间应用工程与技术中心，新华社对外部中国特稿社编著《筑梦天宫：从万户飞天到中国空间站》第4章，内容有删减。

筑梦天宫：从万户飞天到中国空间站

中国科学院空间应用工程与技术中心，新华社对外部中国特稿社 编著

北京：科学出版社，2016.11

ISBN 978-7-03-050307-7

2016年9月，随着天宫二号的顺利升空，中国空间站建设的大幕正式拉开。《筑梦天宫：从万户飞天到中国空间站》以通俗易懂的语言、精美生动的图片，记录了中国人从万户飞天以来的太空探索历程，描述了在中国首个太空实验室天宫二号上进行的诸多意义重大的科学实验，向广大读者立体呈现出了空间科学实验的无穷魅力。同时，全书描写刻画了多位中国空间研究与应用科学家代表，展现了我国科学家不断追求卓越、勇于创新实践的科学精神。

（本期编辑：安静）

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