世界首颗量子科学实验卫星墨子号升空

世界首颗量子科学实验卫星墨子号升空

2016年8月16日，我国墨子号量子科学实验卫星（Mozi QUESS）成功发射。8月17日，中国遥感卫星地面站密云站接收到墨子号首轨数据。如果卫星成功运行，我国将成为世界上首次实现卫星和地面之间进行量子通信的国家。

1　无懈可击

通信安全与保密的重要性现已引发各国政府以及广大公众的普遍关注。就目前和可以预见的将来来看，量子通信已被公认是迄今为止唯一被严格证明能“无条件安全”的通信方式。

世界所有物质都是由微粒子组成，其中不可连续分割的微粒子表现形态叫量子，它是最小的能量单位，分子、原子、光子、电子都是量子的表现形态。量子通信是利用量子的纠缠效应和状态叠加进行信息传递的新型通信方式。根据实验验证，具有纠缠态的2个量子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化。一个量子可以同时存在多种形态。

传统的通信加密和传输安全都是依赖于复杂的算法，但是只要窃取者的计算能力足够强大，再复杂的保密算法都能够被破解，所以都不能够做到绝对安全。量子通信的安全性基于量子物理基本原理，作为光的最小颗粒，单个光量子在传输信息的时候具有不可分割和不可被精确复制两大特性。利用量子这两大特性，可以制作出最安全的密钥，从而能保证信息的不可窃听和不可破解，哪怕计算能力再强也是破解不了的。

从广义上讲，量子保密通信、量子隐形传态等都属于量子通信，但由于量子保密通信目前最接近实用化，因此量子通信常指量子保密通信，即狭义上的量子密钥通信。它通过量子信道实现密钥传递，密文本身仍通过经典信道传速。

量子通信是将信息编码加载到单个光量子叠加态的偏振方向上。在量子通信过程中，发送方和接收方都采用单个光量子的状态作为信息载体来建立密钥。由于单个光量子是光能量的最小组成单元，不能被再分割，所以在单个光量子发射的情况下，窃听者无法将单个光量子分割成两部分，让其中一部分继续传送，而对另一部分进行状态测量获取密钥信息。又由于光量子不可被精确地复制，所以窃听者无论是对单个光量子状态进行测量还是试图复制之后再测量，都会对光量子的状态产生扰动，使窃听行为暴露。

传统通信信号只有0和1，发生窃听时这2种信号不会被扰动。量子通信则完全不会出现这个问题，这是因为量子信号有0、1、0+1、0-1等量子叠加态，而且这种叠加态不可复制，若要对单个光量子的状态进行复制，首先对其进行测量，但量子相干叠加决定了测量会对单个光量子的状态产生扰动，因此无法获得其状态的精确信息，也就无法实现对其状态的精确复制。量子信号一旦被窃听，量子叠加态就会受到扰动，有可能“塌缩”成另一个量子态。这样一来，通信双方能立即察觉并规避。

量子通信的关键要素是量子密钥，它用具有量子态的物质作为密码，一旦被截获或者被测量，其自身状态就会立刻发生改变。截获量子密钥的人只能得到无效信息，而信息的合法接收者则可以从量子态的改变中得知量子密钥曾被截取过。

2　保密法宝

由于量子具有叠加性，可同时表示0和1，处于叠加态的量子比特能以量子纠缠的现象相互联系，即1个量子比特的行为能瞬间影响到另1个量子比特。这样的特性意味着窃听者不可能实现对1个未知量子比特的精确复制。一旦信息被人挟持，量子会自动发生变化，接收者也因此能察觉，而窃听者也看不到原貌。

量子世界中存在一种类似“心电感应”的现象，即量子纠缠。它是指在微观世界里有共同来源的2个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们相距多远，只要1个粒子状态发生变化，另1个粒子状态也会发生相应变化，即在2个或2个以上的稳定粒子间会有强的量子关联，但其原因目前还不清楚。

量子隐形传态是指利用量子纠缠技术，借助卫星网络、光纤网络等经典信道，传输量子态携带的量子信息。

科学家已经在地球上成功做了以下实验，将2个纠缠态光量子分开数千米，在数纳秒的间隔内测量它们的自旋。结果发现，如果测量发现它们其中1个自旋是+1，知晓另一个是-1的速度至少比以光速进行通信快10000倍。

实验表明，创造2个互相纠缠的光量子以后，哪怕将它们分开很远，也可以通过测量其中1个的状态来得知关于另1个的信息。所以，可以利用量子纠缠的特性实现与遥远恒星系统的通信。

为了进行远距离的量子隐形传态，往往需要事先让相距遥远的两地共同拥有最大量子纠缠态。但是，由于存在各种不可避免的环境噪声，量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此，如何提纯高品质的量子纠缠态是量子通信研究中的重要课题。

3　优点很多

量子通信可以真正实现密码无法破译。它采用的是“一次一密”的工作机制，2人通话期间，密码机每分每秒都在产生密码，牢牢“锁”住语音信息；一旦通话结束，这串密码就会立即失效，下一次通话绝对不会重复使用，而且量子通信所提供的密钥无法被破解。

另外，量子通信能实现最快的通信。研究发现，即使将2个纠缠态亚原子粒子分隔到宇宙距离，它们之间的通信也几乎是即刻的。与传统光速通信相比，量子通信的线路时延为零，量子信息传递的过程不会为任何障碍所阻隔，所以完全环保，不存在任何电磁辐射污染。其原因是：被传输的未知量子态在被测量之前会处于纠缠态，并可同时代表多个状态，例如1个量子态可以同时表示数字0和1，7个这样的量子态就可以同时表示128个状态或128个数字：0～127。光量子通信的这样一次传输，就相当于传统通信方式的128次。可以想象，如果传输带宽是64位或者更高，那其效率将是惊人的。

量子通信可实现超时空穿越的远距离通信。其隐形传输技术与人类历史上此前已有的通信技术有着本质的差异。量子隐形传态如同科幻小说中描绘的超时空穿越，量子在一个地方神秘消失，又在另一个地方瞬间出现。

量子通信还具有超高信道容量。信道容量是指信道在噪声环境下有效传输信息的能力，是通信领域最基本的问题。量子信道不仅可以传输经典信息，也能传输量子信息。

总之，与成熟的传统通信技术相比，量子通信具有以下主要特点：一是保密性强；二是隐蔽性高，量子通信是一种完全无“电磁”的通信技术，现有的无线电探测系统无法对其进行探测；三是应用性广，量子既可在太空中进行通信，又能在海底等恶劣条件下通信，还可以在光纤等介质中进行信息传递；四是时效性高，由于量子通信时延为零，能极大地提高通信速度。

4　必由之路

量子通信发展路线图

虽然可用光纤建造城域量子通信网络，但由于光量子容易被光纤吸收，存在固有的光量子损耗，与环境的耦合也会使量子纠缠品质下降，最终导致信号在光纤传送的过程中越来越弱，因此仅仅利用光纤难以实现远距离的量子通信。另外，在近地面自由空间传输信号会受地面障碍物、地表曲率、气象条件的影响，光量子传输难以在地面自由空间中向远距离拓展。

解决这个问题有2种可行途径：一种是利用量子中继技术，即把相距较远的通信线路分为数段，因此每一段的损耗较小，然后在量子中继的帮助下，把光子携带的信息一段段如同接力赛一样向前传递；另一种是进行自由空间单个光量子传输，这是由于大气对某些波长的光量子吸收有限，到了外层空间则几乎没有光损耗，因此可以突破大气层通过卫星的中转实现数千千米甚至是全球化的量子通信。

如果量子通过光纤来传播，最多一二百千米就会失去信号，而通过大气层可以传递几千千米，因此使用量子通信卫星是远距离光量子传输的必由之路。它能克服地表曲率、没有障碍物的阻碍；光量子在光纤中的损耗远高于自由空间的损耗，大气对光量子的吸收和散射远小于光纤，并能保持光量子极化纠缠品质。另外，受到地面条件的限制，目前很多地方无法铺设量子通信的专用光纤。不过，由于量子通信卫星运行在低轨道，因此，若想建设覆盖全球的量子通信网络，必须依赖多颗量子通信卫星。

发展量子通信技术的终极目标是构建广域乃至全球范围的绝对安全的量子通信网络。可通过光纤实现城域量子通信网络连接一个中等城市内部的通信节点；通过量子中继技术实现邻近2个城市之间的连接；通过量子通信卫星与地面站之间的自由空间光量子传输和卫星平台的中转，实现2个遥远区域之间的连接。这些是目前条件下实现全球广域量子通信最理想的途径。

5　科学目标

墨子号量子科学实验卫星正样星

2012年，我国在国际上首次成功实现了百千米量级的自由空间量子隐形传输和纠缠分发，为2016年发射全球首颗量子科学实验卫星奠定技术基础。

墨子号的科学目标是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。

不过，在太空进行量子科学实验非常复杂，对实验设备要求也超乎寻常地高。例如，在空间载荷方面，卫星与地面站的微弧度高精度跟瞄、近衍射极限量子光发射、高保偏量子信号偏振调制、高精密量子纠缠光源的航天工程化等。这些关键技术现已突破。

墨子号系统总体研制单位是上海微小卫星工程中心，其中的有效载荷分系统总体研制单位为中国科学院上海技术物理研究所，科学应用系统总体研制单位为中国科学技术大学。

6　主要任务

我国于2011年开始研制的量子科学实验卫星，将连接中国和欧洲之间的量子通信网，旨在建立卫星与地面远距离量子科学实验平台。

墨子号量子科学实验卫星在轨飞行示意图

墨子号拟开展基于卫星平台的广域量子通信和量子力学基础原理的检验。该项目借助卫星平台，寻求量子理论在宏观大尺度上的应用，使量子信息技术的应用突破距离的限制，促进广域乃至全球范围量子通信的最终实现；能在更深层次上认识量子物理的基础科学问题，拓宽量子力学的研究方向，对于量子理论乃至整个物理学的发展有着至关重要的意义。

该卫星质量约640kg，由长征-2D运载火箭发射，运行于高500km、倾角为97.37°的太阳同步轨道，设计寿命2年。此前，科学家们在地面上已在相距300km的距离成功进行了量子纠缠实验，而墨子号把这个实验带到外层空间。该卫星发射后，将在国际上首次实现空间大尺度的量子密钥分发和量子隐形传态实验，这可以推进人类对大尺度范围量子力学规律的认识，并带动我国量子物理整体水平大幅提升。

整个项目分为卫星和地面两大部分。在地面，项目已经完成了一系列关键技术测试；卫星发射后要完成三大任务：卫星和地面绝对安全量子密钥分发、验证空间贝尔不等式（Bell's inequality）和实现地面与卫星之间量子隐形传态。这些实验是通过我国自主研发的星地量子通信设备完成，它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，这种被称为“针尖对麦芒”的光量子发射和接收需要超高精度的瞄准、捕获和跟踪。

7　精确对准

在卫星的飞行过程中，它携带的2个激光器要分别瞄准2个地面站，向左向右同时传输量子密钥。为了让穿越大气层后光子的“针尖”仍能对上接收站的“麦芒”，在飞行的过程中要始终保证精确对准。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。激光器一站对准一站的有人做过，但是用1颗卫星对准2个地面站的从来没有过，而且还要保证对得准确，这方面我国研制团队已经在地面上做过模拟仿真实验，但还是要在上天以后才知道最终成功与否，所以这也是很大的技术挑战。如果能够做到的话，在国际上也是第一次做这么高精度的跟踪和地面站配合。

量子密钥分发较简单，就是相当于我在卫星上，你在地面，我将一连串的单个光量子下发到你手中，你就能把信号给解码出来，这个任务就完成了。此后，4个光学地面站可以接收卫星传下来的信号进行量子通信，在卫星的帮助下，这4个地面站任何两两之间都可以实现一个安全的通信。

发射量子科学实验卫星的主要目的正是旨在开展卫星与地面之间绝对安全的高速量子密钥分发实验，通过高精度的捕获和跟瞄系统，建立超远距离的量子信道，并在此基础上进行广域量子通信网络的演示。

该卫星的核心是一个能够产生成对纠缠光量子的晶体，无论它们分开多远，其性质仍然能纠缠在一起。其第一个任务是发送这些成对量子中的一方去往在北京和维也纳的地面站，并使用它们来生成密钥；第二个任务是验证贝尔不等式，证明这个纠缠可以存在于相隔1200km的量子之间，因为量子理论预测纠缠一直存在于任何距离，验证贝尔不等式将会证明该理论预测的正确性；第三个任务是尝试地面与卫星之间量子隐形传态，使用通过传统方式传输来的纠缠光量子对及其所携带的信息，在一个新位置重建光子的量子状态。如果首颗卫星进展顺利，今后我国还将发射更多的量子通信卫星，如果要在全世界范围内保障通信安全，大约需要20颗量子通信卫星。

8　卫星组成

墨子号包括卫星平台和科学有效载荷两部分，采用卫星平台和有效载荷一体化设计，所以体积不大。它借鉴了成熟的小卫星平台，由结构与机构分系统、热控分系统、电源分系统、测控分系统、姿控分系统、星务分系统、数传通信分系统等组成。科学有效载荷有4个，还配置了2套独立的有效载荷指向机构，通过姿控指向系统协同控制，可与地面上相距千米量级的2处光学站同时建立量子光链路，光轴指向精度优于3.5μrad。

该卫星的内部最为核心的结构分为2层，下面一层是卫星平台的一个控制系统，上面一层所搭载的是量子通信卫星的4种有效载荷。

量子密钥通信机：其主要功能是量子密钥产生发射、纠缠发射、量子光接收探测、信标光及同步光发射和捕获跟踪瞄准（ATP）等。它由3个功能部分组成：摆镜光机系统，捕获跟踪瞄准控制电子学设备以及量子电子学设备。其结构上分为2个单机，量子密钥通信机光机主体与量子密钥通信机电控箱。

量子纠缠发射机：其主要功能是量子纠缠发射、量子密钥产生发射、信标光及同步光发射和大范围捕获跟踪瞄准。它由3个功能部分组成：捕获跟踪瞄准光机系统、捕获跟踪瞄准控制电子学设备以及量子电子学设备。其结构上分为2个单机，量子纠缠发射机光机主体与量子纠缠发射机电控箱。

量子纠缠源：其是星上纠缠光量子对的产生源头，也是纠缠分发实验核心。它由2个功能部分组成：光机子系统和量子电子学设备，主要具备与量子密钥通信机分系统、量子纠缠发射机分系统的光接口，以及与量子实验控制与处理机分系统的电接口。

量子实验控制与处理机：其主要功能是实现密钥分配实验的密钥基矢比对、密钥纠错和隐私放大，最后提取最终密钥。此外，还可以实现纠缠试验的数据分析处理。它包括电源管理、量子通信及流程控制电路、量子试验处理电路、随机数功能电路、电路箱结构等5个部分。

其工作过程比较简单：从卫星上下发一连串单个光量子，地面光学实验站接到信号之后进行解码，如果成功，就相当于完成了通信。如果在卫星的帮助下，地面上的2个实验站能够进行安全通信，就可以组织通信网络了。

9　四大实验

为实现科学目标，这次将借助卫星平台在广域范围开展量子密钥分发、广域量子密钥网络、量子纠缠分发和量子隐形传态4项科学实验。

星地高速量子密钥分发实验。在高精度捕获、跟踪、瞄准系统的辅助下，建立地面与卫星之间超远距离的量子信道，实现卫星与地面之间的量子密钥分发，开展绝对安全的保密通信实验，量子密钥初始码产生率大于1kbit/s。

广域量子通信网络实验。在地面建立2个光纤量子通信网络，通过光纤与其相邻的固定量子通信地面站连通。当卫星飞过量子通信地面站1上空时，通过星地量子密钥分发过程在地面站1和卫星间建立密钥K1；同理，地面站2和卫星间建立量子密钥K2。卫星通过经典信道将K1和K2的异或结果公开发布，地面站1和地面站2之间建立绝对安全的量子密钥，通过这样的方式将2个分隔遥远的地面光纤网络相互联通，实现广域覆盖量子通信网络。

星上载荷配置关系

星地量子纠缠分发实验。卫星上的量子纠缠光源同时向2个地面站分发纠缠光量子，在完成量子纠缠分发后，对纠缠光量子同时进行独立的量子测量，通过对千米量级量子纠缠态的观测，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

地星量子隐形传态实验。地面量子纠缠源将纠缠光量子对中的1个光量子通过地面发射望远镜发送到卫星，另1个放入量子存储器存储起来。卫星把收到的光量子和未知量子态进行联合贝尔态测量，同时将测量结果通过经典信道送给地面站。地面将另1个纠缠光量子从存储器读出，并根据卫星的测量结果进行相应的幺正变换，从而得到卫星的未知量子态。通过这样的未知量子态隐形传递过程，可验证量子力学的非定域性。

墨子号量子科学实验卫星有效载荷总装示意图

10　应用系统

科学应用系统负责整个“量子科学实验卫星”工程科学实验计划的制订、科学实验的实施、科学数据和应用的处理、传输、存储、管理与发布。

科学应用系统由1个中心（科学实验中心）、2套网（广域量子密钥应用平台）和5个站（4个量子通信地面站、1个空间量子隐形传态实验站）组成。

乌鲁木齐南山站和青海德令哈站依托现有天文台新建了量子通信地面站和2台1.2m口径的光学望远镜；北京兴隆和云南天文台依托现有的光学望远镜进行改造，建成了量子通信地面站。

光学望远镜主要用于对星上量子光、信标光和同步光的接收，其包含的粗精跟踪单元能够实现对卫星的精确指向和跟踪，同时旁轴发射信标光，用于卫星载荷对地面站的跟踪。

科学实验任务与系统配置对应表

科学应用系统地理分布图

据悉，按照规划，我国在2016年发射首颗量子通信卫星，建设以4个量子通信地面站和1个空间量子隐形传态实验站为核心的空间量子科学实验系统后，还将发射更多卫星。到2020年，我国量子通信市场规模将达210亿元人民币。随着量子通信在各领域的不断渗透，预计国内量子加密潜在市场规模有望达到500亿～1000亿元人民币。到2020年还要实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发，届时，联接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。到2030年左右，我国将建成全球化的广域量子通信网络。

宗河/文

World's First QUESS Mozi Launched