揭秘全球首颗量子卫星

刘诗瑶

8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星（简称“量子卫星”）“墨子号”发射升空。随着此次发射任务的圆满成功，人类将首次完成卫星和地面之间的量子通信，标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。

量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，其主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

我国自主研发的量子卫星突破了一系列高新技术，包括同时瞄准两个地面站的高精度星地光路对准、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等工程级关键技术等，卫星设计寿命为两年。量子卫星的成功发射和在轨运行，将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位，实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升，有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破，对于推动我国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。

什么是量子和量子通信

量子是物理世界里最小的、不可分割的基本个体。可以说，整个世界都是由量子组成的。而量子理论，被称为物理世界的百岁“幽灵”，连不少科学家都为其产生的神秘现象所迷惑，对于普通人来说自然更加高深。但若试着走近它，你会发现这个“幽灵”的魅力。

量子的奇妙之处首先在于它的奇妙特性——量子叠加原理和量子纠缠。

什么是量子叠加原理？就是说，量子有多个可能状态的叠加态，只有在被观测或测量时，才会随机地呈现出某种确定的状态，因此，对物质的测量意味着扰动，会改变被测量物质的状态。“这就好比孙悟空的分身术”，量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟解释道，“一个孙悟空同时出现在多个地方，孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。在日常生活中，我不可能同时出现在两个地方，但在量子世界里，作为一个微观的客体，它同时出现在许多地方。”

而所谓的量子纠缠，则意味着两个纠缠在一起的量子就像有心电感应的双胞胎，不管两个人的距离有多远，当哥哥的状态发生变化时，弟弟的状态也跟着发生一样的变化。“如果这两个光量子呈纠缠态的话，哪怕是千公里量级或者更远的距离，大家认为，还是会出现遥远的点之间的诡异互动。”潘建伟补充道，两个处于纠缠状态的粒子无论相距多远，都能“感应”对方状态，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。科学家就可以利用这种效应将甲地某一粒子的未知量子态，在乙地的另一粒子上还原出来。

随着这两种特性被科学家不断认识，适用于实际应用的新技术也被逐渐开拓出来，量子通信就是其中之一。

以往用以微电子技术为基础的计算机技术传递信息极易遭遇窃听，但通过把量子物理与信息技术相结合，利用量子调控技术，能够用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵，从而在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典信息技术的瓶颈，这就是量子通信。

通常认为，量子通信分为两种，一种是量子保密通信（量子密钥分发）；另外一种是量子隐形传态。

量子保密通信，就好比一个人想要传递秘密给另外一个人，需要把存放秘密的箱子和一把钥匙传给接收方。接收方只有用这把钥匙打开箱子，才能取到秘密。没有这把钥匙，别人无法打开箱子，而且一旦这把钥匙被别人动过，传送者会立刻发现，原有的钥匙作废，再给一把新的钥匙，直到确保接收方本人拿到。

那么，为何钥匙被别人一碰，就能立刻被知晓呢？

因为，科学家利用了上面提到过的量子有多个叠加态的原理，用量子作为密钥。这样一来，一旦有人试图截获或测试量子密钥，就会改变量子状态，科学家便能立刻从改变中发现有人动了钥匙。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性，就能实现无条件安全的通信方式。

量子通信的另一种——量子隐形传态也利用了量子的两大特性，通过隐形传输实现信息传递。也就是说，将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点而不用传送粒子本身。

为何要发射量子卫星

量子保密通信技术已经从实验室演示走向产业化。在城市里，通过光纤建构的城域量子网络通信已经开始尝试实际应用，我国在城域光纤量子通信方面已取得了国际领先的地位。

那为什么还要把量子实验室从地面搬到太空呢？

“由于光纤的固有损耗，在光纤中实现远距离量子通信面临着巨大挑战。”潘建伟说。

原来，用量子通信方式传递信息，传送的是光的最小能量单元。但这种最小的颗粒，不能再被分割，也不能复制。即使采用目前最先进的理想单光子探测器，在1000公里光纤中进行点对点量子通信，每300年也只能传输一个比特。“就好比一支拥有100万人的队伍，到最后可能只剩下几个人，花了很长时间才能抵达目的地。”这种受制于光纤，不能放大量子通信信号的问题，导致了在远距离上信息传递效率很低，令科学家们一筹莫展。虽然通过量子中继手段，即分成若干段传输来降低每一段的损耗，用“量子接力”的方式解决这一难题，但走向实际应用还需时日。

后来，科学家意识到，真空里不会有光的损耗，想要实现覆盖全球的广域量子保密通信，还需要借助卫星的中转。

2005年，潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验，证明光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而验证了星地量子通信的可行性。近几年开展的一系列后续实验都为发射量子卫星奠定了技术基础。

“这样一来，通过发射卫星，去除干扰因素，就可以实现几千公里的量子通信。”潘建伟说，有了量子卫星，还可以在宏观距离上检验所谓的量子力学的非局域性，也就是“幽灵般的超距作用”。“看看在实验室里不断被重复检验的理论，放在太空是否还能实现。”

将开展哪些实验

“量子卫星的科学目标是开展星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。”潘建伟介绍。

量子卫星将主要开展星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验、地星量子隐形传态实验共4项科学实验。其中，星地高速量子密钥分发实验就像从卫星向地面分发钥匙，实现卫星与地面之间以量子密钥为核心的保密通信试验。当量子密钥产生后，通信双方即可进行保密通信，这个过程从原理上已经证明是绝对不可窃听、无法破译的，因此整个通信过程是无条件安全的。

广域量子通信网络实验则将在两个光学地面站间，通过卫星中转的方式组建真正意义的广域量子通信网络。“比如当卫星飞过北京上空时，通过星地量子密钥分发过程，在北京和卫星间建立密钥；同理，当卫星飞过乌鲁木齐上空时，通过星地量子密钥分发过程，在乌鲁木齐和卫星间建立密钥。这样，北京和乌鲁木齐之间就能建立绝对安全的量子密钥。”潘建伟举例，用这种方式就能够将两个分隔遥远的地面光纤量子通信网络相互联通，真正实现广域覆盖量子通信网络。

这些量子科学实验非常复杂，难度极大，是“针尖对麦芒”的挑战。这些实验能够产生经过编码的，甚至是纠缠的光量子并发射到地面上，与之对接的地面系统则负责“接收光量子”，这种光量子的发射与接收被称为“针尖对麦芒”。

“在量子卫星飞行的过程中，携带的两个激光器要分别瞄准两个地面站，向左向右同时传输量子密钥。这就要求在飞行的过程中必须始终保证精确对准，跟踪要达到相当高的精度，这也是国际上从来没有人做过的。”中国科学院空间科学与应用研究中心主任、空间科学先导专项科学卫星工程常务副总指挥吴季说。

量子科学实验卫星工程常务副总设计师、卫星总指挥王建宇说，如果把光量子看成一个个1元硬币，星地实验就相当于要从在万米高空飞行的飞机上，不断把上亿枚硬币发射到地面上一个不断旋转的储蓄罐上，不但要求这枚硬币击中这个储蓄罐，而且要使得硬币能够准确地射入储蓄罐细长的投币口，并且硬币要源源不断地进入储蓄罐内。

作为我国第三颗科学实验卫星，量子卫星将使我国在世界上首次实现星地量子通信，真正体现量子通信可向广域范围发展的可能性，抢占国际竞争主动权。

它还将使我国在国际上首次实现具有空间大尺度的量子纠缠分发和量子隐形传态，率先开展一系列空间尺度的量子力学基础检验实验，带动我国量子物理整体水平的大幅度提升。

未来有什么应用

据专家介绍，量子卫星发射后，天地一体化量子科学实验系统将投入正式运行，而“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网工程预计今年下半年交付。

“大规模推广量子通信应用后，将极大提高人们信息传输的私密性和安全性。”潘建伟说，建好“量子互联网”后，人们不用再担心任何信息泄露，从而避免恶意攻击和欺诈行为。

量子保密通信，能够从三个方面保障信息安全。第一，发送者和接收者之间的信息交互是安全的，不会被窃听或盗取。第二，“主仆”身份能够自动确认，只有主人才能够使唤“仆人”，而其他人无法指挥“仆人”。第三，一旦发送者和接收者之间的传递口令被恶意篡改，使用者会立刻知晓，从而重新发送和接收指令。

“信息安全根本上需要解决的，就是传输内容不被别人知道、保证接收者是和发送者对话，以及信息不被篡改。”潘建伟说，仅仅发射一颗卫星是不够的，只有形成星座才能建构起网络，而且需要地面配置相应基础设施，确保网络联接到千家万户。

“比如，将来可以在手机中植入量子加密芯片，用来接收并存储密钥。”潘建伟描述了一幅未来场景，人们只需要每天在家里，将手机和量子密钥分发机连接，就能够实现保密通信。“走到这一步，还需要对网络基础设施进行改造，制定通信标准等，10年至15年，有望实现。”

得益于这种绝对安全性，量子通信不仅应用于百姓日常通信，也可用于水、电、煤气等能源供给和民生网络基础设施的通信保障，还可应用于国防、金融、商业等领域，势必对产业界和科技界产生巨大变革。