【菜科解读】

　　一九八二年，法国物理学家艾伦·爱斯派克特(Alain Aspect)和他的小组成功地完成了一项实验，证实了微观粒子之间存在着一种叫作“量子纠缠”(quantum entanglement)的关系。

　　在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，都一直保持着纠缠的关系，对一个粒子扰动，另一个粒子(不管相距多远)立即就知道了。

　　量子纠缠已经被世界上许多实验室证实，许多科学家认为量子纠缠的实验证实是近几十年来科学最重要的发现之一，虽然人们对其确切的含义目前还不太清楚，但是对哲学界、科学界和宗教界已经产生了深远的影响，对西方科学的主流世界观产生了重大的冲击。

　　不管两个粒子(有共同来源)距离多么遥远，一个粒子的变化立即就影响到另外一个粒子，这就是量子纠缠。

准确来说，所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。

　　量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题，并在量子计算和量子通信的研究中起着重要的作用。

　　以两个以相反方向、同样速率等速运动的电子为例，即使一颗行至太阳边，一颗行至冥王星，如此下，它们仍保有特别的关联性;亦即当其中一颗被操作(例如量子测量)而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化。

　　如此现象导致了“鬼魅似的远距作用”(spooky action-at-a-distance)之猜疑，彷佛两颗电子拥有超光速的秘密通信(就像念动咒语)一般。

　　“鬼魅”(spooky)一词出自爱因斯坦之口，他曾经推断，这种“鬼魅般的超距作用”(spooky action at a distance)，似与狭义相对论中所谓的局域性(locality)相违背。

因此直到过世前他都没有完全接受量子力学是一个真实而完备的理论，一直尝试找到一种更加合理的诠释。

　　这也是当初爱因斯坦与玻理斯·波多斯基、纳森·罗森于1935年提出以其姓氏字首为名的爱波罗悖论(EPR paradox)来质疑量子力学完备性的原因。

　　量子纠缠证实了爱因斯坦不喜欢的“超距作用”(spooky action in a distance)是存在的。

量子纠缠超越了我们人生活的四维时空，不受四维时空的约束，是非局域的(nonlocal)，宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。

量子非局域性表明物体具有整体性。

　　简单地说，量子非局域性是指，属于一个系统中的两个物体(在物理模型中称为“粒子”)，如果你把它们分开了，有一个粒子甲在这里，另一个粒子乙在非常非常遥远(比如说相距几千、几万光年)的地方。

　　如果你对任何一个粒子扰动(假设粒子甲)，那么瞬间粒子乙就能知道，就有相应的反应。

这种反应是瞬时的，超越了我们的四维时空，不需要等到很久信号传递到那边。

　　这边一动，那边不管有多遥远，立即就知道了，即一个地方发生的事情立即影响到很远的地方。

这说明，看起来互不相干的、相距遥远的粒子甲和乙在冥冥之中存在着联系。

这与我们人的意识作用非常相似!

　　实证科学在研究意识中遇到的困难是，无法用我们人类熟悉的时间、空间、质量、能量等来测量意识，但是我们每一个头脑清醒的人都知道自己的意识是存在的。

如何来研究无法用常规方法测量而又存在的意识呢?

　　目前有些学科在神经和大脑上对意识进行了广泛而深入的研究，虽然对大脑的许多功能有了不少的了解，但是对于意识本身仍然是个迷，仍然无法解释“意识的难题” (the hard problem of consciousness)。

　　“意识的难题”是指体验与感受的问题(the problem of experience)，例如对颜色、味道、明暗等等的感受，对价值观的判断等等。

“意识的难题”近年来重新触发了哲学上长期解决不了的争论，即意识是从物质中突然出现的，还是万物皆有意识(中国古代叫万物皆有灵性)?

　　自笛卡儿以来的西方主流世界观认为物质决定意识，意识是在物质中产生的副产品。

然而，这种唯物论观点遇到了难以克服的困难与挑战。

　　例如，(1)许多科学家认识到，要从没有意识的物质中产生意识，这需要奇迹的发生，而唯物论是不承认有超自然现象的，换句话说，这是不可能的。

　　(2)在长期研究大脑工作中，神经科学对大脑的功能等等方面已经有了很多的认识，但是许多人怀疑唯物论能够解决“意识难题”。

　　(3)现在有科学研究者从量子测量的角度分析，认为意识不能够被进一步简化，也不是在物质运动中突然出现的，因为如果意识只是物质的副产品，那么这无法解决量子力学中的“测量难题”。

量子力学认为物体在没有测量之前，都是几率波，测量使得物体的几率波“倒塌”(collapse)成为观测到的现实。

　　那么问题就出来了：如果意识是从物质中产生的，那么从根本上讲大脑也只是由原子、电子、质子、中子等微观粒子组成的几率波，大脑的几率波如何能够使得被观察物体的几率波“倒塌”呢?

　　对于更大的宇宙的现实来说，这是不是意味着存在宇宙之外的具有意识的观察者?这就是量子力学中的“测量佯谬”。

为了解决这个量子测量佯谬，物理学家们提出了许多解决方案，但是从根本上仍然无法绕开意识的问题。

诺贝尔物理学奖获得者尤金·威格纳(Eugene Wigner)认为，意识是量子测量问题的根源。

　　虽然物理学认识到意识在量子力学的层面上就存在，但是量子力学本身无法解决意识的问题。

从量子力学创立时起意识就一直困扰着量子力学，但是长期以来，物理学家们对这一问题视而不见，试图逃避这个令物理学尴尬的难题。

　　基于实证科学在研究意识中遇到的难以克服的问题，现在在哲学界、神经科学、心理学、物理学等多学科领域里越来越多的人认为，就像时间、空间、质量、能量一样，意识是物质的一个基本属性，是宇宙不可分割的一部份。

这与佛学认为“万物皆有佛性”具有惊人的一致!

　　量子纠缠的存在是微观粒子具有意识的证据，给“意识是物质的一个基本特性”提供了良好的证据，其意义非同寻常。

星地一体：墨子号、京沪干线与量子中继的野望

我们已经掌握了 QKD 的核心——BB84 协议和诱骗态。

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！

墨子号、东方超环、深空探测！合肥硬科技组团上春晚

2月14日 总台马年春晚合肥分会场的 幕后采访 为大家“剧透”了 春晚上的合肥“硬科技” 中国科学技术大学潘建伟院士团队、万元熙院士和中国科学院核聚变大科学团队、深空探测实验团队纷纷亮相，并带上了“墨子号”、人造太阳“东方超环”、嫦娥四号与嫦娥六号探测器等“科技好礼”。

潘建伟院士团队与“墨子号” 在幕后探班中，潘建伟院士团队正在忙着拍摄准备。

团队及节目为观众送上了一份“科技好礼”——“墨子号”。

墨子号是我国研制的首颗空间量子科学实验卫星，也是世界上第一颗量子科学实验卫星。

它在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，初步构建了“天地一体化”量子保密通信体系。

从2003年萌发量子卫星通信的想法，到2017年“墨子号”预定科学实验任务全部完成，潘建伟等中国科学家经过了14年的努力。

承载了千里共婵娟的通信梦想和中国速度的算力未来。

中国“墨子号”量子科学实验卫星首席科学家潘建伟在中国科学技术大学的办公室内与“墨子号”量子卫星模型合影（2018年12月13日摄）。

新华社记者 张端 摄 万元熙院士团队与“东方超环” 采访中，万元熙院士和中国科学院核聚变大科学团队持着“东方超环”模型登场。

“‘东方超环’是万元熙院士主持设计并建造的、世界上首台全超导托卡马克装置。

”团队通俗介绍了人造太阳“东方超环”：“人造太阳”就是在地球上建一个大装置，模拟太阳的核聚变环境，实现核聚变反应，替代传统能源发电。

“东方超环”指向的正是人类清洁能源的终极梦想。

全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）。

张正朋 摄 这一听起来不可思议的大工程，在2025年初迎来了关键突破和重大节点：“东方超环”成功突破1000秒1亿度高约束运行模式，是聚变研究从基础科学研究迈向工程实践的重大拐点。

“这一突破就像一道强光，照射到每个人的心里，当时我们在EAST（即“东方超环”）控制室，每个科研人员都备受鼓舞！”团队成员表示。

1月20日拍摄的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）控制大厅。

新华社记者 周牧 摄 最后，万元熙院士为观众送上新春祝福：“愿每一个人心怀热爱，追逐梦想。

” 深空探测实验团队与“嫦娥奔月” 人类从未停止对月亮的憧憬和对宇宙的探索，在合肥就有着一个探秘深空的实验室——深空探测实验室。

“我们主要开展深空探测领域战略性、前瞻性、基础性技术研究，简单来说，就是在为人类走向更远深空寻找第二家园，探索可能的技术路径。

”团队成员在节目中自我介绍。

深空探测实验室深度参与、全面支撑嫦娥六号月球背面采样返回、嫦娥七号月球南极环境与资源勘查、嫦娥八号、天问三号火星采样返回等国家航天重大工程和任务实施。

幕后采访中，深空探测实验团队携嫦娥四号与嫦娥六号探测器向观众问好。

“嫦娥4号探测器，7年前首次着陆在月球背面，就是它为我们揭开了月球背面的神秘面纱。

”团队成员介绍。

嫦娥六号则在2024年带回了人类第一份月球背面的样品。

深空探测实验室。

马二虎 摄 这些硬核科技 在总台春晚中将以什么形式呈现呢？ 科学家和科技工作者又将讲述什么故事？