量子通讯卫星 [关于量子通讯的设想]

　　序　　21世纪，人类已全面进入信息时代，人们生活的方方面面都离不开信息的交换，从农耕时代的相互喊话，到古代的飞鸽传书，接着产生了电报、传真，然后是大哥大，BB机，现在，世界各地都通过互联网联系起来，即便想隔千里，也可用手机通话，发短信，用QQ、MSN与世界另一端的朋友聊天。
　　网络的速度是非常快的，电子在线缆中的传输速度接近光速，无线电池也是一种电磁波，能以光速传播，大洋之中也铺设有光纤，使信息跨越数万公里如转瞬即逝，按照光速30万公里每秒来计算，围绕地球一圈只需0.13秒，因此，即使我们拨打越洋电话，时间上的延迟可以说是忽略不计的。
　　随着人类的脚步迈入太空，一个难题已摆在人类面前，那就是宇宙空间的巨大，通讯时间上的延迟已经达到了不可忽略的程度。比如美国六十年代的阿波罗计划，人类登上月球之后，靠电波与地球保持联系，由于月球与地球距离38万公里，所以电磁波一去一回便要消耗两秒多的时间，指挥中心说的话要1秒多那边才听到，那边说的话也要1秒多这边才听到，这给信息的实时交流造成了不小的麻烦。
　　如果说两秒钟的延迟还可以接受，那么更远距离的通讯就会影响巨大，比如2003年美国发射到火星的勇气号与机遇号探测器，由于火星到地球的距离一直在改变，最近大约为5500万公里，最远的有4亿多公里，也就是说光从地球到火星最少要用3分多钟，最多要20多分钟，所以平均下来，从地球发向火星的指令需要十几分钟的时间，这就对探测器的控制造成了很大的影响，如果要对一个错误指令做出修改，就需要十几分钟才能传到，可能这个错误指令已造成许多严重后果，事实上，机遇号和勇气号也因此重启系统多次；勇气号更是在09年4月由于错误指令被困于沙坑中，待指挥中心发出修正指令已经晚了，直到现在，勇气号仍没有脱困，并且可能永久困在这个沙坑中了。
　　如果再将距离放大，扩展到太阳系外，各种信息在时间上的延迟已达到了惊人的程度，目前人类飞行最远的航天器是1977年9月发射的旅行者号1号（Voyagor 1）它目前已达到太阳系边缘，距太阳170亿公里，大于111个天文单位，（Astronomical Unit,1天文单位是地球到太阳的平均高，约1.496亿公里），它发射的信号要13小时才能到达地球，如果它发生什么意外，信息传回地球已是13小时之后了，这时再处理，这些事件已无力回天。
　　所以，人类如果想要成功的进军太空，走出太阳系，我们就必须要解决通讯的时间延迟这一问题，下面，我将介绍一下我自己的一点想法以及对前人已有设想做一个小结。
　　一、理论基础
　　在介绍我的想法之前，有必要说一说量子力学这一理论，量子力学（Quantum Mechanics）是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，主要研究各科基本粒子的结构，性质。它在20世纪初由普朗克，玻尔，海森堡，薜定谔等物理学家共同创立以弥补经典物理在描述微观世界的不足。直到现在量子力学已与相对论成为现代物理的两大基础理论。
　　随着量子力学的发展越来越多关于微观世界的奇怪性质被人们所了解，它作出了许多对微观世界物理现象的预言，其中大部分都已被证明是确实存在的，这其中也有许多在常人看来难以致信的结论，有海森堡测不准（Uncertainty Principle）原理，思想实验薜定谔的猫等，这些结论都反映了微观世界的不确定性和随机性。在这其中有一个最令人惊讶的结论，也是我的想法的理论基础，那就是微观粒子间的量子纠缠（Quantum entanglement），它是由两个以上的多个粒子组成的复合系统，简单的说，就是两个粒子在特定情况下会产生某种特殊关联性（correlation），最令人吃惊的是如果影响其中一个粒子，另一个粒子就会同时发生一些性质的改变，它们是等时的，没有时间上的延迟，这个结论与相对论的基本设定一切物质能量的速度都不可能超过光速相违背，因此，爱因斯坦与当时多位物理学家联合起来反对量子力学。可是事实胜于雄辩，随着人类技术的发展，1997年，奥地利物理学家首次实现了量子纠缠态的实验，这一研究不断取得可喜成果，到了2009年，中国科大和清华大学在北京架设了厂16公里的信息通道，并成功地进行了量子通讯实验。创造了目前量子通讯最远距离的世界纪录。
　　二、设想
　　虽然各种实验的成果是可喜的，但是我们还有很多问题要解决，比如我们目前进行的实验都是有线的传播信息的两地需要光纤连接，并且目前我们只成功实现了光子的量子纠缠。
　　科技总是在不断进步，这些难题终究会被克服，我们应该思考的时如何应用这些成果，又一海森堡测不准原理，我们不可能同时测出一个粒子在某一时刻的位置和动量，因此我们要获取从另一个粒子传过来的信息，就有了困难，我的想法是，利用超对称粒子来实现量子通讯，所谓超对称（SuPer symmetry)就是一种基本粒子间的关系，目前基本粒子可分为两类，一类叫波**（Boson），它们的自旋为整数，如光子为1，一类叫费米子（Fermion）,它们的自旋为半整数，如电子的自旋为1/2，根据超对称理论，每一种波**都有一种与它对称的费米子，并且它们之间能够相互转换，如果我们使一对超对称粒子产生量子纠缠，并将它们固定在磁场中，那么改变一个粒子的自旋，另一个粒子的自旋也会一起改变，这样就会方便观察了。
　　要实现量子通讯就必须随时测量一对粒子的状态，这样做投资就会很巨大，那么能不能有一种能够直接读出信息的方法呢?其实对于这一问题已经有了一些设想的解决方案。科幻小说往往走在技术的前面，引导着技术的发展，在中国当代最具有实力的科幻作家刘慈欣的作品《三体》中就给出了一种解决方案：
　　“智子工程，简而言之就是把一个质子改造成一台超级智能计算机”。科学执政官说。
　　“作为一个广为流传的科学幻想，这大家都听说过。”农业执政官说，“但要成为现实，还是太突然了点。我知道物理学家们已经能够操控微观世界十一微结构中的九维，蛋我们还是无法想象，它们能把一把小镊子伸进质子，在里面搭建大规模集成电路吗？”