【菜科解读】

　　科学家发现了希格斯玻色子衰变的第一个证据，扩大了我们对奇怪量子宇宙的理解。

　　2012年，诺贝尔物理学奖获得了一项突破性发现：检测希格斯玻色子，希格斯玻色子是将近50年前由物理学标准模型预测的亚原子粒子。

希格斯玻色子的寿命不长，很快会衰减成质量较小的粒子，如两个光子（轻粒子）。

　　现在，研究人员在瑞士CERN的大型强子对撞机上使用ATLAS和CMS，发现了罕见的希格斯玻色子衰变的证据，其中亚原子粒子衰变成一个光子和两个轻子，这是一种可以带电或中性的基本粒子。

（电子和μ子，是一种类似的亚原子粒子，是带电轻子的两个例子。

）

　　具体来说，他们发现了希格斯玻色子可以衰变为一个光子和一对电子，或者一个光子和一对电荷相反的μ子的证据。

　　使用标准模型，科学家能够预测希格斯玻色子可以衰变为不同的基本粒子，相当“常见”的衰变是两个光子。

他们还可以估计希格斯玻色子衰变为不同粒子组合的频率，希格斯玻色子衰变为一个光子和两个轻子的情况尤其罕见。

　　在这种衰变中，希格斯玻色子的寿命极短，很快就变成了一个光子，而科学家称之为“虚拟光子”。

然后，该“虚拟光子”（也称为“壳外光子”）立即变成类似两个轻子的形式。

大型强子对撞机ATLAS实验的粒子物理学家James Beacham告诉Space.com，这种“虚拟光子”具有非常小的非零质量，而常规光子则完全没有质量。

　　Beacham补充说：“这两个轻子使我们的量热计彼此非常接近。

”大型强子对撞机的量热仪是一种阻止微粒碰撞产生的微粒的工具。

当这些粒子被工具阻止或“吸收”时，科学家可以发现并研究这些粒子。

　　虽然科学家已经预言希格斯玻色子应该存在这种衰变，但是这种新发现是希格斯玻色子这种非常罕见的衰变模式的第一个暗示。

　　但是，该小组可能无法直接观察到这种罕见的衰变，直到他们为即将到来的高亮度LHC计划升级设施(该计划将在LHC 3号之后进行)。

这项研究使用的数据是在运行2期间收集的，运行2是对撞机的第二个运行期，始于2015年，结束于2018年。

Run 3将于2022年3月开始。

　　ATLAS的一份声明说： “根据高光度LHC计划的大量数据，研究希格斯玻色子稀有现象将成为新的常态。

”

　　通过研究像这样的罕见衰变，研究人员可以探索超越标准模型的新物理学的可能性。

比卡姆说：“标准模型解释了我们物理宇宙的许多事情，但它不包括重力或暗物质。

”暗物质不发光，无法直接观察到，被认为构成了已知宇宙中所有物质的约80％，但科学家尚不清楚它到底是什么。

　　他说：“我们一直在寻找标准模型的扩展。

我们必须找到一个进入我们这个黑暗领域世界的窗口或门户，并进行实验。

其中之一可能是希格斯玻色子。

” Beacham解释说：“黑暗领域涵盖了超越标准模型的物理学。

”

最后的豪赌：NASA将执行“大爆炸”计划，继续压榨高龄探测器

飞行中的旅行者探测器（艺术渲染图）。

NASA / JPL-Caltech 4月17日，NASA官方宣布，他们已经向旅行者1号发送指令，关闭了其搭载的“低能带电粒子（LECP）”实验装置。

LECP在过去49年中，一直负责监测探测器周围环境中的离子、电子和宇宙射线。

关闭这一装置实属无奈。

今年2月27日，旅行者1号进行了一次计划中的滚转机动，结果电力骤降。

旅行者1号和旅行者2号是两台“核动力”探测器——它们的电力来自“放射性同位素热电发电机（Radioisotope Thermoelectric Generator）”。

这种发电机能够利用放射性元素“钚”的衰变来获取电能。

发电机的设计功率约为470瓦，但在运行中，每年会损失约4瓦的电力。

现在，旅行者1号的10台科研装置中，仅有2台在运行；

而旅行者2号有3台在运行。

在这些设备的帮助下，科学家才有机会获知太阳系外太空环境的特点，以及太阳风和星际介质发生冲突的方式。

NASA称，关闭旅行者1号的 “低能带电粒子”实验装置，可以为旅行者1号续命约1年。

关闭设备延长探测器寿命是一种相对而言比较被动的举措。

事实上，为了进一步延长旅行者1号和旅行者2号的使用寿命，以获得更多珍贵的星际空间科学数据，NASA科学家正在计划一次被称为“大爆炸”的高风险操作，以进一步拓展这两台探测器剩余电力的使用空间。

所谓“大爆炸”计划，指的是一次性关闭一组探测器设备，并用更低功耗的设备或方式取而代之。

科学家想用这种方式，维持探测器起码的温度，以便能够继续收集科学数据。

目前，旅行者1号上仅有2台科研设备在运转，它们分别被用来探测磁场和等离子波。

如果一切如愿，科学家期望通过“大爆炸”计划，来获得足够多的电力，重启此次被关闭的“低能带电粒子（LECP）”实验装置。

事实上，此次科学家已决定让旅行者1号上一台功率仅为0.5瓦的小型电机继续运行，以待未来LECP“复活”之需。

“大爆炸”将于今年5月和6日，先在旅行者2号身上试验性地发生。

旅行者2号目前的电力供应稍好于旅行者1号，其和地球的距离也比旅行者1号稍近。

如果一切顺利，不早于今年7月，旅行者1号也会迎来它的“大爆炸”时刻。

但这就像为一位高龄老者动手术，风险极高，是一场豪赌。

旅行者1号现在距离地球约250亿千米，任何发往旅行者1号的指令都需要23个小时才能被它收到。

LECP实验装置的关闭过程本身需要3个多小时。

而由于环境极度寒冷，重启它将面临更大的挑战。

NASA的旅行者1号和旅行者2号是目前飞得最远的人类探测器。

两台探测器几乎一模一样（旅行者2号略有微调），且均为1977年发射，但2号比1号晚升空6个月。

现在这两台探测器均已飞出了日球层——亦即太阳风的势力范围，进入了所谓的星际空间——但要真正飞出太阳系，还任重而道远——它们还需要飞行上万年，才能突破太阳系外围的奥尔特云。

旅行者1号进入星际空间的时间是2012年；

由于飞行路线不同，旅行者2号进入星际空间的时间是2018年，比1号晚了6年。

这两台古老的探测器已经太空中飞行了49年。

难能可贵的是，它们竟然还在运行并发回科学数据。

但毕竟已经年事已高，旅行者1号和旅行者2号的能源已经严重衰减——它们只能靠关闭不必要的设备，调整运行策略，来降低功耗，以维持最低限度的运行。

旅行者1号探测器（艺术渲染图）。

NASA / JPL-Caltech 参考 NASA Shuts Off Instrument on Voyager 1 to Keep Spacecraft Operating https://science.nasa.gov/blogs/voyager/2026/04/17/nasa-shuts-off-instrument-on-voyager-1-to-keep-spacecraft-operating

星地一体：墨子号、京沪干线与量子中继的野望

你可能觉得：“太好了，那我把光纤从北京拉到上海，Alice 和 Bob 不就能愉快地通话了吗？” 理想很丰满，现实却很骨感。

光纤是有损耗的。

一个光子在光纤里跑，每跑 15 公里，能量就会损失一半（3dB损耗）。

如果 Alice 在北京发射光子，经过 100 公里的传输，大概只有 1% 的光子能活着到达天津。

如果距离拉长到 1000 公里，光子能到达的概率大概是 。

这什么概念？ 哪怕 Alice 用每秒发射 100 亿个光子的机关枪狂扫，她也要几百万年才能让 Bob 收到一个光子。

在经典通信中，信号弱了我们可以加“放大器”。

但在量子世界，不可克隆定理把这条路堵死了。

怎么办？ 既然不能强攻，那就智取。

今天，我们将揭秘人类为了把量子密钥送向远方，所构建的三种宏伟架构。

我将全景式地解析目前人类解决这一问题的三大路径：可信中继（以京沪干线为例）、卫星量子通信（以墨子号为例），以及未来的终极方案——量子中继。

死结 —— 为什么不能用放大器？ 在讲解决方案之前，我们必须深刻理解困难在哪里。

经典的中继器（Amplifier） 你的家中宽带、跨海电缆，之所以能传几千公里，是因为每隔几十公里就有一个放大器（Repeater）。

原理：它像一个大嗓门的传话人。

听到微弱的声音（衰减的信号），把它记录下来，复制一份，然后用更大的音量（增强功率）喊给下一站。

本质：复制 + 增强。

量子的死穴 不可克隆定理 量子信号（单光子）承载的信息在于它的叠加态。

你想放大它？你就得先复制它。

物理定律说：NO。

你不能在不破坏它的情况下复制它。

如果你试图测量它再重新发射（类似经典中继），你就破坏了量子态，把原本的安全密钥变成了无效的随机数，甚至会被误判为黑客攻击。

所以，传统的“光放大器”对 QKD 来说是剧毒。

光子一旦跑不动了，就真的死在路上了。

权宜之计 —— 可信中继 (Trusted Relay) 既然光子一次跑不了 2000 公里，那让它跑 100 公里总行吧？ 这就诞生了目前工程上最成熟、也是“京沪干线”采用的方案——可信中继。

接力赛跑 Alice 想给 2000 公里外的 Bob 送信。

她在中间设了 30 个站点（R1, R2, ..., R30）。

第一棒：Alice 用 QKD 协议（光子）和 R1 生成一个密钥 。

加密传输：Alice 用 加密信息，把密文通过普通光纤发给 R1。

解密与换棒：R1 用 解密，看到原文。

然后 R1 和 R2 做一次 QKD，生成新密钥 。

再加密：R1 用 加密原文，发给 R2。

...以此类推，直到 R30 发给 Bob。

优缺点分析 优点：技术极其成熟，现有的 QKD 设备就能用。

中国建成的世界首条量子保密通信干线“京沪干线”就是这么干的，全长 2000 多公里，连接了北京、济南、合肥、上海。

致命弱点：“可信”二字。

在上面的过程中，每一个中继站 R1, R2... 都把密文解密了，看到了原文。

这意味着：这 30 个站点必须都是好人。

只要其中一个站点被黑客攻破，或者出了内鬼，整条线路的秘密就泄露了。

所以，这些站点必须有重兵把守，物理上绝对安全。

这对于银行、军队专网是可行的，但对于普通民用互联网来说，成本太高。

这是一条“链路加密” (Link Encryption) 的路，而不是真正的“端到端加密”(End-to-End Encryption)。

天外飞仙 —— 墨子号 (Micius) 与卫星 QKD 既然地面光纤损耗大，那我们换个介质行不行？真空是没有损耗的。

地球的大气层只有垂直方向的 10 公里比较厚，穿过这 10 公里后，就是茫茫太空。

如果我们把基站搬到卫星上，让卫星和地面直接用激光通信，那就只有穿过大气层的那一瞬间有损耗，剩下的几千公里真空飞行几乎是无损的。

这就是 2016 年中国发射的世界首颗量子科学实验卫星——“墨子号”的思路。

针尖对麦芒的“APT”技术 卫星 QKD 最难的不是量子原理，而是瞄准。

卫星在 500 公里高的轨道上，以 7.6 公里/秒 的速度飞奔。

地面站的一个望远镜要死死盯着它。

双方要让一束只有硬币大小的激光，跨越 500-1000 公里，精准地打进对方的望远镜里。

这被称为 APT (Acquisition, Pointing, and Tracking，捕获、瞄准和跟踪) 技术。

难度相当于：你在坐高铁，把一枚硬币扔进 10 公里外的一个储蓄罐的投币口里。

墨子号的三种玩法 星地密钥分发（下行模式）： 墨子号作为 Alice，飞过北京上空，给北京站（Bob）发光子。

北京站收到光子，生成密钥 。

此时，墨子号就是一个“飞在天上的可信中继”。

它存着密钥，飞到乌鲁木齐上空，再发一份密钥。

地星密钥分发（上行模式）： 地面站做 Alice，卫星做 Bob。

由于大气湍流主要在近地面，光子一开始就被打散了，所以上行比下行更难。

但好处是源在地面，想换就换。

千公里级量子纠缠分发（E91模式）： 这是最科幻的。

墨子号作为纠缠源，同时向青海德令哈站和云南丽江站（相距 1200 公里）各发射一个纠缠光子。

地面两个站同时收到光子。

结果：两个地面站之间建立了纠缠，直接生成了密钥。

意义：在这种模式下，卫星是不掌握密钥的！卫星只是个分发者。

这意味着即便卫星被敌人控制了，只要它还发纠缠光子，地面通信就是安全的。

这实现了无中继的超远距离安全通信。

终极圣杯 —— 量子中继 (Quantum Repeater) 可信中继需要信任，卫星受天气影响（阴天、白天都很难工作）。

有没有一种方案，既走光纤（全天候），又不需要信任中继站点？ 有。

这就是全人类物理学家梦寐以求的圣杯——量子中继。

它的核心思想是利用“纠缠交换”(Entanglement Swapping)。

这是一种真正的“量子魔术”。

魔术步骤：隔山打牛 假设 Alice 和 Bob 相距很远，中间有个中继站 R。

光子直接从 Alice 飞到 Bob 做不到。

分段纠缠： Alice 和中继站 R 建立一对纠缠：。

中继站 R 和 Bob 建立一对纠缠：。

此时，Alice 和 Bob 毫无关系。

贝尔测量 (Bell Measurement)： 中继站 R 对它手里的两个粒子 和 进行一种特殊的联合测量（贝尔测量）。

奇迹发生的瞬间：在 R 测量的刹那， 和 的纠缠断裂，死亡。

但是，纠缠关系被“转移”了！原本互不相识的 Alice 手里的粒子 和 Bob 手里的粒子 ，突然变得纠缠了。

结果： Alice 和 Bob 之间建立了一条虚构的纠缠链路，尽管他们之间从来没有光子飞过。

中继站 R 只是做了一个媒人，测量完它就退出了。

它不知道密钥是什么（因为它只知道 和 的相对关系，不知道 和 的具体状态）。

为什么还没普及？ 听起来太完美了，为什么现在不用？ 因为缺一个硬件：量子存储器 (Quantum Memory)。

纠缠交换要求两边的光子同时到达 R 进行测量。

但在现实中，光子到达时间是随机的。

我们需要中继站有一个“量子硬盘”，能把先到的光子无损地冻结在那里，等另一个光子到了再一起测。

目前的量子存储器技术还处于实验室阶段（能存几毫秒就很牛了），离工业化应用还有距离。

未来展望 —— 量子互联网 当我们把这三种技术结合起来，未来的图景就清晰了： 骨干网（城际）：使用可信中继（如京沪干线）连接大城市的核心节点，由国家强力部门守卫。

广域网（跨国/跨海）：使用量子卫星星座。

当你需要和地球背面的朋友通话时，呼叫天上的卫星，它帮你建立连接。

局域网/未来网：随着量子中继和量子存储的成熟，我们将构建真正的量子互联网。

届时，不仅是分发密钥，我们甚至可以传输量子态，连接各地的量子计算机，形成全球算力网络。

结语 从北京到上海，从地面到太空，从经典中继的“接力跑”到量子中继的“隔空移物”。

我们看到了人类为了突破距离限制所付出的巨大智慧。

现在，我们已经有了安全的密钥（BB84/诱骗态），有了传输网络（京沪干线/墨子号）。

那么，这套昂贵的系统到底能怎么用？ 仅仅是用来加密电话吗？ 不。

它将彻底重构我们的金融、政务、区块链乃至日常生活的信任基石。

明日预告：不仅仅是加密 —— QKD 的真实应用场景明天，我们将不再谈物理，而是谈商业和应用。

银行怎么用 QKD 转账？ 电网怎么用 QKD 防止断电？ 量子随机数怎么让彩票更公平？ 甚至……量子区块链？ 让我们看看这项技术是如何落地的。

我们明天见！