Es ist wie eine Fernbeziehung

Vor mehr als zweitausend Jahren schrieb Mozi in „Jing Shuo Xia“, dass „der Mensch des Lichts so warm wie eine Sonne ist“. Er erkannte das Phänomen, dass sich Licht geradlinig ausbreitet.

Mehr als zweitausend Jahre später, am 16. August 2016, wurde der nach ihm benannte experimentelle Quantenwissenschaftssatellit „Mozi“ ins All geschossen und wird weiterhin „Licht“ verwenden, um die Zukunft der menschlichen Informationsübertragung zu schreiben.

Am 16. August 2016 startete China den weltweit ersten Quantenkommunikationssatelliten „Micius“. Bildquelle: Nachrichtenagentur Xinhua

Heute ist „Mozi“, dessen Lebensdauer auf lediglich zwei Jahre ausgelegt war, bereits seit sechs Jahren im Orbit im Einsatz und hat sein Ziel für viele erweiterte wissenschaftliche Forschungsaufgaben übertroffen.

Viele Menschen sind möglicherweise verwirrt, wenn sie das Wort „Quanten“ sehen. Was genau ist Quanten? Welche Arbeit hat der experimentelle Quantensatellit „Mozi“ geleistet? Welche Verbindung besteht zum Thema „Quanten“? Seien Sie nicht ungeduldig, lassen Sie uns ihre Geheimnisse Stück für Stück verstehen.

Kernpunkt 1

Was ist Quanten?

Im Leben hören wir oft den Satz „Im Zweifelsfall wenden wir uns der Quantenmechanik zu“, und wir werden unter dem Banner der „Quanten“ auch oft auf Pseudowissenschaft wie „Quantenschnelllesen“ stoßen. Was genau ist also „Quanten“?

Dieses Problem ist eigentlich nicht schwer zu verstehen. Alle Objekte in unserem Leben haben ihre eigenen kleinsten Einheiten. Die grundlegendste Einheit von „Wasser“ ist beispielsweise das „Wassermolekül“. Dasselbe gilt für Licht. Wir schießen einen Lichtstrahl aus einem Laserstift und unterteilen ihn. Die grundlegendste Einheit ist das „Photon“. Wir nennen die grundlegendste Einheit, aus der die materielle Welt besteht, ein „Quant“. Das von „Mozi“ in seinen Experimenten verwendete „Quant“ ist ein „Lichtquant“ oder „Photon“.

Schlüsselpunkt 2

Welche Experimente hat „Mozi“ durchgeführt?

Bevor wir diese Frage beantworten, wollen wir zunächst über das „Online-Shopping“ sprechen, das jeder sehr mag.

Bevor Mobiltelefone mit Fingerabdruck- und Gesichtserkennungsfunktionen entwickelt wurden, mussten wir bei Online-Bestellungen immer ein Zahlungskennwort auf dem Bildschirm eingeben. Die meisten Menschen haben sich wahrscheinlich schon einmal Folgendes gefragt: Was passiert, wenn jemand mein Passwort abfängt? Tatsächlich können nicht nur unsere Zahlungspasswörter, sondern sämtliche von Punkt A nach Punkt B übertragenen Kommunikationsinformationen abgefangen und auf halbem Weg geknackt werden, wodurch unsere Informationen durchsickern.

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In diesem Moment könnte jemand denken: Dann erstellen wir ein Codebuch, verschlüsseln das Zahlungskennwort und andere Informationen, die wir zuerst versenden, und verwenden dann dasselbe Codebuch, um es beim Empfang zu entschlüsseln. Können wir auf diese Weise die Informationsverschlüsselung nicht abschließen? Dies ist zwar richtig, doch leider kann das Codebuch entziffert oder sogar gestohlen werden, was die Verschlüsselung nutzlos macht.

Gibt es kein absolut sicheres Verschlüsselungsverfahren? Keine Sorge, vergessen Sie unseren heutigen Protagonisten nicht – „Mozi“.

Eine der wichtigsten Missionen bei der Gründung von „Mozi“ ist die Gewährleistung der Kommunikationssicherheit . Herkömmliche Passwörter sind nicht sicher genug? Es spielt keine Rolle. Wir verwenden Quantentechnologie, um ein „Codebuch“ zu generieren, das zufällig genug ist und beiden kommunizierenden Parteien bekannt ist, sobald es von Dritten abgefangen wird.

Als experimenteller Satellit für die Quantenwissenschaft muss „Mozi“ drei wichtige Experimente absolvieren: Quantenschlüsselverteilung auf tausend Kilometern Ebene , bidirektionale Quantenverschränkungsverteilung auf tausend Kilometern Ebene zwischen Satellit und Boden und Quantenteleportation auf tausend Kilometern Ebene zwischen Boden und Satellit . Nach der Erreichung dieser drei festgelegten wissenschaftlichen Ziele führte „Mozi“ auch eine Reihe wichtiger Expansionsexperimente durch und erzielte dabei ständig neue Durchbrüche.

Wird Ihnen beim Anblick dieser „Quanten“ wieder schwindelig? Seien Sie nicht nervös, sie sind eigentlich nicht schwer zu verstehen. Lassen Sie mich sie Ihnen anhand der drei etablierten wissenschaftlichen Experimente von Mozi erklären.

Kernpunkt 3

Was bewirkt die Quantenschlüsselverteilung?

Wofür wird es angewendet?

Wir haben gerade gesagt, dass zur Gewährleistung echter Kommunikationssicherheit Quantentechnologie zur Erstellung eines „Codebuchs“ erforderlich ist. Die Quantenschlüsselverteilungsmission von „Mozi“ besteht darin, mithilfe des Satelliten „Mozi“ ein „Codebuch“ zu generieren, indem Photonen aus dem Weltraum zur Erde gesendet werden .

Wie bilden diese Photonen also ein „Codebuch“? Um dieses Problem zu verstehen, müssen wir uns zunächst einiges über Photonen aneignen:

Polarisation : Photonen können in eine bestimmte Richtung schwingen, was als „Polarisation“ bezeichnet wird. Die Polarisation von Photonen kann je nach Winkel in viele Typen unterteilt werden, aber hier müssen wir nur vier Richtungen verstehen: ↑ und → (d. h. Polarisationswinkel 0° und 90°), ↗ und ↘ (d. h. Polarisationswinkel 45° und 135°);

Es gibt verschiedene Formen der Photonenpolarisation. Der Polarisationswinkel jedes Photons beträgt 180°. Obwohl die Photonenpolarisation von 135° in der Karikatur also „↖“ ist, entspricht sie tatsächlich „↘“. Das Bild ist vom Mozi Salon.

Beobachtung : Beim Empfang von Photonen werden diese mit einer „speziellen Sonnenbrille“ beobachtet. Wenn die Sonnenbrille aufrecht steht, sieht sie wie ein „+“ aus und lässt ↑ und → polarisierte Photonen durch. Wenn sie geneigt sind, sehen sie wie ein „ד aus und lassen ↗ und ↘ polarisierte Photonen durch.

Bit : Wissenschaftler legen fest, dass nach der Beobachtung mit „+“ ein Photon mit ↑ Polarisation ein Bit „0“ darstellt und ein Photon mit → Polarisation ein Bit „1“ darstellt; In ähnlicher Weise stellt nach der Beobachtung mit „ד ein Photon mit ↗ Polarisation ein Bit „0“ dar und ein Photon mit ↘ Polarisation ein Bit „1“;

Unsicherheit : Photonen sind jedoch etwas Besonderes. Sogar Photonen mit ↑ und → Polarisation können geneigte „ד-Sonnenbrillen passieren (↗ und ↘ können auch „+“ passieren). Beispielsweise wird ein Photon mit der Polarisation ↑, das in das „ד gezwungen wird, beim Herauskommen zu ↗ oder ↘, aber zu welchem ​​genau? Fragen Sie nicht, die Wahrscheinlichkeit liegt bei 50 %, die genaue Zahl ist unklar. Wenn Sie immer noch verwirrt sind, wird die folgende Tabelle es klarer machen:

Nachdem wir diese Regeln verstanden haben, können wir mit dem Senden von Photonen und der Erstellung eines „Codebuchs“ beginnen. Die Schritte sind wie folgt:

1. Zuerst generiert der Absender zufällig eine Folge von Bitcodes, beispielsweise: 01001011;

2. Wählen Sie zufällig ein Beobachtungsformular aus („+“ oder „ד);

3. Bereiten Sie ein polarisiertes Photon basierend auf dem zufällig generierten Bit und dem Beobachtungsmodus vor. Wenn beispielsweise das zufällig generierte Bit 0 und der Beobachtungsmodus „+“ ist, wird ein Photon mit ↑ Polarisation vorbereitet; wenn das zufällig generierte Bit 1 ist und der Beobachtungsmodus „ד ist, wird ein Photon mit ↘ Polarisation vorbereitet;

4. Senden Sie dann das Photon an den Empfänger.

5. Nach dem Empfang dieser Photonen wählt der Empfänger zufällig eine Beobachtungsform „+“ oder „ד aus, um die empfangenen Photonen zu beobachten und die Beobachtungsergebnisse zu erhalten.

6. Schließlich führen Sender und Empfänger ein weiteres Telefongespräch, um ihre jeweiligen Beobachtungsmethoden mitzuteilen, die Ergebnisse derselben Beobachtungsmethode zu speichern und die anderen zu verwerfen. So erhalten sie ein vollständig zufällig generiertes und sicheres erstes „Codebuch“.

Dies ist ein Job voller „Zufälligkeit“.

Wir sehen auch, dass, wenn der Empfänger „+“ verwendet, um „↗“ zu beobachten, zwei Ergebnisse erzielt werden, nämlich: Nach der Beobachtung des Photons ändert sich die Polarisation des Photons. Wenn also ein Dritter das Photon in der Mitte abfängt und die „falsche“ Beobachtungsmethode verwendet wird, ändert sich die Polarisation des Photons. Daher können Empfänger und Beobachter das Problem durch „Überprüfen der Antworten“ (diesmal ist es das anfängliche „Codebuch“ des Kommunikationsteils) finden und das diesmal generierte „Codebuch“ verwerfen.

Auf diese Weise ist die erhaltene Codezeichenfolge „0100“ das einmalige Quanten-„Codebuch“, das von beiden Parteien generiert wird.

Das Obige ist eine der Methoden, die im von „Mozi“ durchgeführten Experiment zur Quantenschlüsselverteilung verwendet wurden. Diese Methode wird als BB84-Protokoll bezeichnet und wurde 1984 von Charles Bennett und Gilles Brassard vorgeschlagen . Mit dieser Methode kann das Abhören während der Kommunikation wirksam erkannt werden, wodurch die Kommunikation sofort beendet und neue Quantenschlüssel neu verteilt werden können.

BB84-Protokoll, vorgeschlagen von Brassard und Bennett. Das Bild ist vom Mozi Salon.

Im August 2017, ein Jahr nach seinem Start, führte „Mozi“ erfolgreich das weltweit erste Experiment zur Quantenschlüsselverteilung von Satellit zu Boden in einer Entfernung von tausend Kilometern durch. Später erreichte „Mozi“ auch eine quantensichere Kommunikation auf Tausend-Kilometer-Ebene ohne Relais, basierend auf einem anderen Quantenschlüsselverteilungsprotokoll E91. Damit wurde eine solide technische Grundlage für den späteren Aufbau eines globalen quantensicheren Kommunikationsnetzwerks gelegt.

Kernpunkt 4

Worum geht es bei der Quantenverschränkung genau?

Was macht die Quantenverschränkungsverteilung?

Was denken Sie, wenn Sie das Wort „Verstrickung“ hören? Das gegenseitige Verständnis zwischen zwei Menschen? Gibt es zwischen Liebenden eine stillschweigende Übereinkunft? Das stimmt, es gibt auch eine „telepathische Verbindung“ zwischen zwei Quantenteilchen. Wissenschaftler nennen diese „telepathische“ Verbindung zwischen Quantenteilchen „Quantenverschränkung“ .

Zwei quantenverschränkte Photonen. Bild vom Mozi Salon

In der Quantenmechanik gibt es einen mysteriösen Begriff: Superposition . Das heißt, bei einem Quant kann es sich, wenn es nicht beobachtet wird, um eine Überlagerung zweier Zustände handeln. aber sobald das Quant im Überlagerungszustand beobachtet wird, kollabiert der Quantenüberlagerungszustand in einen der Zustände . Ein klassisches Beispiel ist Schrödingers Katze, die sowohl „tot“ als auch „lebendig“ ist. Die Katze ist in einem verschlossenen Behälter gefangen, in dem sich die beiden Zustände „tot“ und „lebendig“ überlagern. Dies ist der „Superpositionszustand“ der Katze. Sobald wir die Kiste öffnen, bricht der Superpositionszustand der Katze zusammen und wir wissen, ob die Katze „tot“ oder „lebendig“ ist.

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Quantenverschränkung ist ein seltsamer Überlagerungszustand der Kombination zweier Quanten. Zwischen ihnen besteht ein „mysteriöses Schicksal“ – sobald eines der Quanten beobachtet wird, ist der Zustand des anderen Quants sofort bekannt. Nehmen wir noch einmal das Katzenbeispiel: Ich habe zwei Katzen, die in versiegelten Kisten eingesperrt sind. Sie befinden sich beide in einem Überlagerungszustand von „lebendig“ oder „tot“ und sind miteinander „verschränkt“. Das heißt, wenn ich eine Kiste öffne und eine Katze in einem Superpositionszustand sehe, der auf „tot“ zusammengebrochen ist, dann wird auch der Superpositionszustand der Katze in der anderen Kiste zusammenbrechen und muss auf „lebendig“ zusammenbrechen.

Diese Quantenverschränkung ist nicht durch die Entfernung begrenzt und „nicht-lokal“. Selbst wenn sich eine Katze auf der Erde und die andere in einem anderen Teil des Universums befindet, entsteht diese seltsame Verbindung sofort. Einstein nannte dieses Phänomen der Quantenverschränkung im Raum „spukhafte Fernwirkung“. Er war darüber besorgt und schlug die „Theorie der lokalen verborgenen Variablen“ vor, um diesen magischen Zusammenhang zu erklären.

Um zu überprüfen, wer Recht und wer Unrecht hatte, schlug der Physiker Bell eine Ungleichung und eine experimentelle Methode vor. Wenn die experimentellen Ergebnisse der Ungleichung entsprechen, dann unterstützt dies Einsteins „Lokalitätstheorie“. Wenn die experimentellen Ergebnisse die Ungleichung verletzen, dann widerlegt dies Einsteins „Lokalitätstheorie“ .

Leider sprachen die experimentellen Ergebnisse nicht für Einstein. Diese „geisterhafte Fernwirkung“ in der Quantenmechanik ist real und die Quantenverschränkung ist tatsächlich „nicht-lokal“. Das Experiment ist das einzige Kriterium zur Überprüfung der Wahrheit. Die Wahrheit ergibt sich aus strengen experimentellen Ergebnissen, selbst wenn es Einstein ist, der den Einwand erhebt.

Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass Einstein diesmal falsch lag. Bild vom Mozi Salon

Bis heute führen viele Wissenschaftler das von Bell vorgeschlagene Experiment zur Quantenverschränkung durch: Dabei werden zwei verschränkte Quantenteilchen in ausreichend großer Entfernung voneinander platziert und anschließend beobachtet, um festzustellen, ob die beobachteten Ergebnisse mit der Bellschen Ungleichung übereinstimmen. In ähnlicher Weise hat mein Land auch ein Quantenverschränkungsexperiment zwischen zwei Bodenstationen in Lijiang (Yunnan) und Delingha (Qinghai) durchgeführt. Dabei handelt es sich um das am weitesten entfernte Quantenverschränkungsexperiment der Welt – 1.200 Kilometer voneinander entfernt.

Die Funktion von „Mozi“ besteht darin, ein Paar verschränkter Quantenteilchen an diese beiden Bodenstationen im Weltraum zu übertragen. Der Erfolg dieses Experiments hat den Grundstein für die zukünftige quantensichere Kommunikation meines Landes auf der Grundlage der Quantenverschränkung gelegt. Im Jahr 2020 gelang Micius eine auf Verschränkung basierende, quantensichere Kommunikation auf der Tausend-Kilometer-Ebene.

Die Bell-Ungleichung wird durch die Verteilung der Quantenverschränkung über den Micius-Satelliten verifiziert. Das Bild ist vom Mozi Salon.

Kernpunkt 5

Was ist Quantenteleportation?

Ist es möglich, Materie über weite Strecken zu transportieren?

Bevor wir diese Frage beantworten, schauen wir uns eine kurze Geschichte über eine Fernbeziehung an:

Es gibt ein Paar A und B, B ist der bösartigere von beiden, aber sie führen immer noch eine Fernbeziehung und sind ineinander „verstrickt“. Gleichzeitig haben sie zwei gemeinsame Freunde, C und D, die A und B von zwei verschiedenen Orten aus beobachten.

Eines Tages traf A X. X war nicht so bösartig wie B, aber sehr freundlich. Also machte A mit B Schluss und begann eine neue Verstrickung mit X.

Zu diesem Zeitpunkt beobachtete Freund C diesen Vorfall, machte ein Foto und erzählte es seinem Freund D. Nachdem er das Foto gesehen hatte, erteilte D B eine kleine Freundschaftserziehung. Nach seiner Ausbildung kam B zur Vernunft, gab das Böse auf und tat Gutes und wurde von da an ein freundlicher Mensch wie X.

In diesem Beispiel können wir A und B als zwei verschränkte Quantenteilchen, C und D als Wissenschaftler an den Standorten von A bzw. B und X als einen unbekannten Quantenzustand betrachten. Wissenschaftler hoffen, diesen unbekannten Quantenzustand durch „Quantenteleportation“ auf B übertragen zu können.

Während des gesamten Übertragungsprozesses wurde nicht das Quant X selbst übertragen, sondern der Zustand von X wurde an B übertragen – genau wie im Beispiel der Fernbeziehung wurde der freundliche Zustand von X an B übertragen, wodurch sich Bs Zustand von „bösartig“ in „freundlich“ änderte.

Dies ist „Quantenteleportation“. Es ist jedoch zu beachten, dass bei der „Quantenteleportation“ die Verschränkung zwischen A und B verschwindet und fast gleichzeitig eine neue Verschränkung zwischen A und X entsteht.

Sie werden feststellen, dass bei der „Quantenteleportation“ nur der Zustand des Quants X übertragen wird, das Teilchen selbst jedoch nicht . Dies unterscheidet sich stark von der Fernübertragung von Materie in Science-Fiction-Werken. Derzeit ist es unrealistisch , mithilfe der Quantentechnologie Objekte von Punkt A nach Punkt B zu transportieren.

Kernpunkt 6

Was kann „Mozi“ für uns tun?

Wenn Sie bis hierher gelesen haben, herzlichen Glückwunsch, Sie haben die drei wichtigsten wissenschaftlichen Experimente des Quantenwissenschafts-Experimentiersatelliten „Mozi“ im Wesentlichen verstanden. Aber an diesem Punkt fragen Sie sich vielleicht: Welche Auswirkungen werden diese drei Experimente auf mich haben?

Die Entdeckung jeder neuen Theorie und die Realisierung jeder neuen Technologie stellt für die Menschheit grundsätzlich einen neuen Schritt vorwärts in die unbekannte Welt dar. „Mozi“ ist die Kristallisation der fortschrittlichsten Quantenkommunikationstechnologie meines Landes und nimmt auch international eine Spitzenposition ein. Die Quantenkommunikationstechnologie hat begonnen, im zivilen und kommerziellen Bereich Einzug zu halten . In Zukunft wird ausgereiftere Quantenkommunikationstechnologie in der Kommunikation, im Finanzwesen, in der Landesverteidigung und in vielen anderen Bereichen breiter eingesetzt werden.

Autor: Science Popularization China × Mozi Salon

Dieser Artikel wird gemeinsam von Science Popularization China und Mozi Salon erstellt.

Das Titelbild dieses Artikels stammt aus Science.

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