揭秘全球首颗量子卫星：为何要发射将开展啥实验？

原题目: 揭秘全球首颗量子卫星：为什么要发射 将展开啥试验？

《人民日报》 记者 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试验卫星(简称“量子卫星”)“墨子号”发射升空。随着此次发射任务的美满成功，人类将初次完成卫星和地面之间的量子通信，标记住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试验卫星之一，其主要科学目的是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发试验，并在此基础上进行广域量子密钥网络试验，以期在空间量子通信适用化方面获得重大冲破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态试验，展开空间尺器量子力学完整性检验的试验研究。

我国自主研发的量子卫星冲破了一系列高新技术，包含同时瞄准两个地面站的高精度星地光路瞄准、星地偏振态坚持与基矢校订、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转，将有助于我国在量子通信技术适用化整体水平上坚持和扩展国际抢先身份，完成国家信息安全和信息技术水平逾越式提升，有希望推进我国科学家在量子科学前沿领域获得重大冲破，关于推进我国空间科学卫星系列可连续发展具有重粗心义。

什么是量子和量子通信

量子是物理世界里最小的、不可朋分的基本个别。能够说，全部世界都是由量子构成的。而量子理论，被称为物理世界的百岁“鬼魂”，连很多科学家都为其产生的神奇现象所困惑，关于普通人来讲自然更加精深。但假如试着走近它，你会发现这个“鬼魂”的魅力。

量子的奥妙的地方首先在于它的奥妙特征——量子叠加原理和量子纠缠。

什么是量子叠加原理？就是说，量子有多个也许状态的叠加态，只有在被观测或丈量时，才会随机地出现出某种确定的状态，所以，对物质的丈量意味着扰动，会转变被丈量物质的状态。“这就好比孙悟空的两全术”，量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟解释道，“一个孙悟空同时出目前多个地方，孙悟空的各个两全就像是他的叠加态。在平常生活中，我不也许同时出目前两个地方，但在量子世界里，作为一个微观的客体，它同时出目前很多地方。”

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，不顾两个人的距离有多远，当哥哥的状态产生变化时，弟弟的状态也随着产生一样的变化。“假如这两个光量子呈纠缠态的话，哪怕是千千米量级或许更远的距离，大家以为，还是会出现悠远的点之间的诡异互动。”潘建伟添加道，两个处于纠缠状态的粒子不管相距多远，都能“感应”对方状态，爱因斯坦称之为“鬼魂般的超距用处”。科学家便能够利用这类效应将甲地某一粒子的未知量子态，在乙地的另外一粒子上复原出来。

随着这两种特征被科学家陆续熟悉，适用于实际应用的新技术也被逐步开辟出来，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受窃听，但通过把量子物理与信息技术相联合，利用量子调控技术，能够用一种革命性的方法对信息进行编码、存储、传输和把持，从而在确保信息安全、提升运算速度、提升丈量精度等方面冲破经典信息技术的瓶颈，这就是量子通信。

通常以为，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机密给另外一个人，需求把寄存机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，才能够取到机密。没有这把钥匙，他人没办法打开箱子，而且一旦这把钥匙被他人动过，传送者会马上发现，原本的钥匙作废，再给一把新的钥匙，直到确保接收方本人拿到。

那么，为什么钥匙被他人一碰，就能够马上被知晓呢？

缘由是，科学家利用了上头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，就会转变量子状态，科学家便能马上从转变中发现有人动了钥匙。所以，利用量子不可克隆和不可朋分的特征，就能够完成无要求安全的通信方法。

量子通信的另外一种——量子隐形传态也利用了量子的两大特征，通过隐形传输完成信息传递。也就是说，将粒子的未知量子态准确传送到悠远地点而不需求传送粒子自己。

为什么要发射量子卫星

量子保密通信技术已经从试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试探实际应用，我国在城域光纤量子通信方面已获得了国际抢先的身份。

那为什么还要把量子试验室从地面搬到太空呢？

“因为光纤的固有消耗，在光纤中完成远距离量子通信面对着庞大挑战。”潘建伟说。

本来，用量子通信方法传递信息，传送的是光的最小能量单元。但这类最小的颗粒，不能够再被朋分，也不能够复制。即便采取如今最先进的理想单光子探测器，在1000千米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，到最后也许只剩下几个人，花了很长时间才能够抵达目的地。”这类受制于光纤，不能够缩小批子通信信号的问题，致使了在远距离上信息传递效率很低，令科学家们束手无策。尽管通过量子中继手段，即分成若干段传输来下降每段的消耗，用“量子接力”的方法处理这一困难，但走向实际应用还需光阴。

后来，科学家意识到，真空里不会有光的消耗，想要完成笼罩全球的广域量子保密通信，还需求借助卫星的中转。

2005年，潘建伟团队完成了13千米自在空间量子纠缠和密钥分发试验，证实光子穿透大气层后，其量子态能够有用坚持，从而验证了星地量子通信的可行性。近几年展开的一系列后续试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，去除搅扰因素，便能够完成几千千米的量子通信。”潘建伟说，有了量子卫星，还能够在宏观距离上检验所谓的量子力学的非局域性，也就是“鬼魂般的超距用处”。“看看在试验室里陆续被反复检验的理论，放在太空是不是还能完成。”

将展开哪些试验

“量子卫星的科学目的是展开星地高速量子密钥分发试验，并在此基础上进行广域量子密钥网络试验，以期在空间量子通信适用化方面获得重大冲破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态试验，展开空间尺器量子力学完整性检验的试验研究。”潘建伟介绍。

量子卫星将主要展开星地高速量子密钥分发试验、广域量子通信网络试验、星地量子纠缠分发试验、地星量子隐形传态试验共4项科学试验。其中，星地高速量子密钥分发试验就像从卫星向地面分发钥匙，完成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，通信两边便可进行保密通信，这个过程从原理上已经证实是绝对不可窃听、没办法破译的，所以全部通信过程是无要求安全的。

广域量子通信网络试验则将在两个光学地面站间，通过卫星中转的方法组建真正意义的广域量子通信网络。“好比当卫星飞过北京上空时，通过星地量子密钥分发过程，在北京和卫星间树立密钥；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树立密钥。这样，北京和乌鲁木齐之间就能够树立绝对安全的量子密钥。”潘建伟举例，用这类方法就能够够将两个分隔悠远的地面光纤量子通信网络互相联通，真正完成广域笼罩量子通信网络。

这些量子科学试验特别复杂，难度极大，是“针尖对麦芒”的挑战。这些试验能够产生通过编码的，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”，这类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当中，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当中必须一直保证准确瞄准，跟踪要达到相当高的精度，这也是国际上历来没有人做过的。”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。

量子科学试验卫星工程常务副总设计师、卫星总指挥王建宇说，假如把光量子算作一个个1元硬币，星地试验就相当于要从在万米高空飞行的飞机上，陆续把上亿枚硬币发射到地面上一个陆续盘旋的储蓄罐上，不只需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修长的投币口，而且硬币要源源陆续地进入储蓄罐内。

作为我国第三颗科学试验卫星，量子卫星将使我国在世界上初次完成星地量子通信，真正表现量子通信可向广域范围发展的也许性，抢占国际竞争主动权。

它还将使我国在国际上初次完成具有空间大尺度的量子纠缠分发和量子隐形传态，率先展开一系列空间尺度的量子力学基础检验试验，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，寰宇一体化量子科学试验系统将投入正式运转，而“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网工程估计今年下半年交付。

“大规模推行量子通信应用后，将极大提升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，人们不需求再担忧任何信息泄漏，从而防止歹意进攻和讹诈举动。

量子保密通信，能够从三个方面保证信息安全。第一，发送者和接收者之间的信息交互是安全的，不会被窃听或窃取。第二，“主仆”身份能够自动确认，只有主人才能够够使唤“家丁”，而其他人没办法指挥“家丁”。第三，一旦发送者和接收者之间的传递口令被歹意改动，应用者会马上知晓，从而重新发送和接收指令。

“信息安全根本上需求处理的，就是传输内容不被他人晓得、保证接收者是和发送者对话，和信息不被改动。”潘建伟说，仅仅发射一颗卫星是不够的，只有构成星座才能够建构起网络，而且需求地面配置相应基础设施，确保网络联接到千家万户。

“好比，未来能够在手机中植入量子加密芯片，用来接收并存储密钥。”潘建伟描写了一幅未来场景，人们只需求每天在家里，将手机和量子密钥分发机衔接，就能够够完成保密通信。“走到这一步，还需求对网络基础设施进行改造，制定通信标准等，10年至15年，有希望完成。”

得益于这类绝对安全性，量子通信不只应用于百姓平常通信，也可用于水、电、煤气等能源供应和民生网络基础设施的通信保证，还可应用于国防、金融、商业等领域，必将对产业界和科技界产生庞大变革。

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