世界首顆量子科學實驗衛星墨子號升空

世界首顆量子科學實驗衛星墨子號升空

2016年8月16日，我國墨子號量子科學實驗衛星（Mozi QUESS）成功發射。8月17日，中國遙感衛星地面站密云站接收到墨子號首軌數據。如果衛星成功運行，我國將成為世界上首次實現衛星和地面之間進行量子通信的國家。

1　無懈可擊

通信安全與保密的重要性現已引發各國政府以及廣大公眾的普遍關注。就目前和可以預見的將來來看，量子通信已被公認是迄今為止唯一被嚴格證明能“無條件安全”的通信方式。

世界所有物質都是由微粒子組成，其中不可連續分割的微粒子表現形態叫量子，它是最小的能量單位，分子、原子、光子、電子都是量子的表現形態。量子通信是利用量子的糾纏效應和狀態疊加進行信息傳遞的新型通信方式。根據實驗驗證，具有糾纏態的2個量子無論相距多遠，只要一個發生變化，另外一個也會瞬間發生變化。一個量子可以同時存在多種形態。

傳統的通信加密和傳輸安全都是依賴于復雜的算法，但是只要竊取者的計算能力足夠強大，再復雜的保密算法都能夠被破解，所以都不能夠做到絕對安全。量子通信的安全性基于量子物理基本原理，作為光的最小顆粒，單個光量子在傳輸信息的時候具有不可分割和不可被精確復制兩大特性。利用量子這兩大特性，可以制作出最安全的密鑰，從而能保證信息的不可竊聽和不可破解，哪怕計算能力再強也是破解不了的。

從廣義上講，量子保密通信、量子隱形傳態等都屬于量子通信，但由于量子保密通信目前最接近實用化，因此量子通信常指量子保密通信，即狹義上的量子密鑰通信。它通過量子信道實現密鑰傳遞，密文本身仍通過經典信道傳速。

量子通信是將信息編碼加載到單個光量子疊加態的偏振方向上。在量子通信過程中，發送方和接收方都采用單個光量子的狀態作為信息載體來建立密鑰。由于單個光量子是光能量的最小組成單元，不能被再分割，所以在單個光量子發射的情況下，竊聽者無法將單個光量子分割成兩部分，讓其中一部分繼續傳送，而對另一部分進行狀態測量獲取密鑰信息。又由于光量子不可被精確地復制，所以竊聽者無論是對單個光量子狀態進行測量還是試圖復制之后再測量，都會對光量子的狀態產生擾動，使竊聽行為暴露。

傳統通信信號只有0和1，發生竊聽時這2種信號不會被擾動。量子通信則完全不會出現這個問題，這是因為量子信號有0、1、0+1、0-1等量子疊加態，而且這種疊加態不可復制，若要對單個光量子的狀態進行復制，首先對其進行測量，但量子相干疊加決定了測量會對單個光量子的狀態產生擾動，因此無法獲得其狀態的精確信息，也就無法實現對其狀態的精確復制。量子信號一旦被竊聽，量子疊加態就會受到擾動，有可能“塌縮”成另一個量子態。這樣一來，通信雙方能立即察覺并規避。

量子通信的關鍵要素是量子密鑰，它用具有量子態的物質作為密碼，一旦被截獲或者被測量，其自身狀態就會立刻發生改變。截獲量子密鑰的人只能得到無效信息，而信息的合法接收者則可以從量子態的改變中得知量子密鑰曾被截取過。

2　保密法寶

由于量子具有疊加性，可同時表示0和1，處于疊加態的量子比特能以量子糾纏的現象相互聯系，即1個量子比特的行為能瞬間影響到另1個量子比特。這樣的特性意味著竊聽者不可能實現對1個未知量子比特的精確復制。一旦信息被人挾持，量子會自動發生變化，接收者也因此能察覺，而竊聽者也看不到原貌。

量子世界中存在一種類似“心電感應”的現象，即量子糾纏。它是指在微觀世界里有共同來源的2個微觀粒子之間存在著糾纏關系，不管它們相距多遠，只要1個粒子狀態發生變化，另1個粒子狀態也會發生相應變化，即在2個或2個以上的穩定粒子間會有強的量子關聯，但其原因目前還不清楚。

量子隱形傳態是指利用量子糾纏技術，借助衛星網絡、光纖網絡等經典信道，傳輸量子態攜帶的量子信息。

科學家已經在地球上成功做了以下實驗，將2個糾纏態光量子分開數千米，在數納秒的間隔內測量它們的自旋。結果發現，如果測量發現它們其中1個自旋是+1，知曉另一個是-1的速度至少比以光速進行通信快10000倍。

實驗表明，創造2個互相糾纏的光量子以后，哪怕將它們分開很遠，也可以通過測量其中1個的狀態來得知關于另1個的信息。所以，可以利用量子糾纏的特性實現與遙遠恒星系統的通信。

為了進行遠距離的量子隱形傳態，往往需要事先讓相距遙遠的兩地共同擁有最大量子糾纏態。但是，由于存在各種不可避免的環境噪聲，量子糾纏態的品質會隨著傳送距離的增加而變得越來越差。因此，如何提純高品質的量子糾纏態是量子通信研究中的重要課題。

3　優點很多

量子通信可以真正實現密碼無法破譯。它采用的是“一次一密”的工作機制，2人通話期間，密碼機每分每秒都在產生密碼，牢牢“鎖”住語音信息；一旦通話結束，這串密碼就會立即失效，下一次通話絕對不會重復使用，而且量子通信所提供的密鑰無法被破解。

另外，量子通信能實現最快的通信。研究發現，即使將2個糾纏態亞原子粒子分隔到宇宙距離，它們之間的通信也幾乎是即刻的。與傳統光速通信相比，量子通信的線路時延為零，量子信息傳遞的過程不會為任何障礙所阻隔，所以完全環保，不存在任何電磁輻射污染。其原因是：被傳輸的未知量子態在被測量之前會處于糾纏態，并可同時代表多個狀態，例如1個量子態可以同時表示數字0和1，7個這樣的量子態就可以同時表示128個狀態或128個數字：0～127。光量子通信的這樣一次傳輸，就相當于傳統通信方式的128次。可以想象，如果傳輸帶寬是64位或者更高，那其效率將是驚人的。

量子通信可實現超時空穿越的遠距離通信。其隱形傳輸技術與人類歷史上此前已有的通信技術有著本質的差異。量子隱形傳態如同科幻小說中描繪的超時空穿越，量子在一個地方神秘消失，又在另一個地方瞬間出現。

量子通信還具有超高信道容量。信道容量是指信道在噪聲環境下有效傳輸信息的能力，是通信領域最基本的問題。量子信道不僅可以傳輸經典信息，也能傳輸量子信息。

總之，與成熟的傳統通信技術相比，量子通信具有以下主要特點：一是保密性強；二是隱蔽性高，量子通信是一種完全無“電磁”的通信技術，現有的無線電探測系統無法對其進行探測；三是應用性廣，量子既可在太空中進行通信，又能在海底等惡劣條件下通信，還可以在光纖等介質中進行信息傳遞；四是時效性高，由于量子通信時延為零，能極大地提高通信速度。

4　必由之路

量子通信發展路線圖

雖然可用光纖建造城域量子通信網絡，但由于光量子容易被光纖吸收，存在固有的光量子損耗，與環境的耦合也會使量子糾纏品質下降，最終導致信號在光纖傳送的過程中越來越弱，因此僅僅利用光纖難以實現遠距離的量子通信。另外，在近地面自由空間傳輸信號會受地面障礙物、地表曲率、氣象條件的影響，光量子傳輸難以在地面自由空間中向遠距離拓展。

解決這個問題有2種可行途徑：一種是利用量子中繼技術，即把相距較遠的通信線路分為數段，因此每一段的損耗較小，然后在量子中繼的幫助下，把光子攜帶的信息一段段如同接力賽一樣向前傳遞；另一種是進行自由空間單個光量子傳輸，這是由于大氣對某些波長的光量子吸收有限，到了外層空間則幾乎沒有光損耗，因此可以突破大氣層通過衛星的中轉實現數千千米甚至是全球化的量子通信。

如果量子通過光纖來傳播，最多一二百千米就會失去信號，而通過大氣層可以傳遞幾千千米，因此使用量子通信衛星是遠距離光量子傳輸的必由之路。它能克服地表曲率、沒有障礙物的阻礙；光量子在光纖中的損耗遠高于自由空間的損耗，大氣對光量子的吸收和散射遠小于光纖，并能保持光量子極化糾纏品質。另外，受到地面條件的限制，目前很多地方無法鋪設量子通信的專用光纖。不過，由于量子通信衛星運行在低軌道，因此，若想建設覆蓋全球的量子通信網絡，必須依賴多顆量子通信衛星。

發展量子通信技術的終極目標是構建廣域乃至全球范圍的絕對安全的量子通信網絡。可通過光纖實現城域量子通信網絡連接一個中等城市內部的通信節點；通過量子中繼技術實現鄰近2個城市之間的連接；通過量子通信衛星與地面站之間的自由空間光量子傳輸和衛星平臺的中轉，實現2個遙遠區域之間的連接。這些是目前條件下實現全球廣域量子通信最理想的途徑。

5　科學目標

墨子號量子科學實驗衛星正樣星

2012年，我國在國際上首次成功實現了百千米量級的自由空間量子隱形傳輸和糾纏分發，為2016年發射全球首顆量子科學實驗衛星奠定技術基礎。

墨子號的科學目標是進行星地高速量子密鑰分發實驗，并在此基礎上進行廣域量子密鑰網絡實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。

不過，在太空進行量子科學實驗非常復雜，對實驗設備要求也超乎尋常地高。例如，在空間載荷方面，衛星與地面站的微弧度高精度跟瞄、近衍射極限量子光發射、高保偏量子信號偏振調制、高精密量子糾纏光源的航天工程化等。這些關鍵技術現已突破。

墨子號系統總體研制單位是上海微小衛星工程中心，其中的有效載荷分系統總體研制單位為中國科學院上海技術物理研究所，科學應用系統總體研制單位為中國科學技術大學。

6　主要任務

我國于2011年開始研制的量子科學實驗衛星，將連接中國和歐洲之間的量子通信網，旨在建立衛星與地面遠距離量子科學實驗平臺。

墨子號量子科學實驗衛星在軌飛行示意圖

墨子號擬開展基于衛星平臺的廣域量子通信和量子力學基礎原理的檢驗。該項目借助衛星平臺，尋求量子理論在宏觀大尺度上的應用，使量子信息技術的應用突破距離的限制，促進廣域乃至全球范圍量子通信的最終實現；能在更深層次上認識量子物理的基礎科學問題，拓寬量子力學的研究方向，對于量子理論乃至整個物理學的發展有著至關重要的意義。

該衛星質量約640kg，由長征-2D運載火箭發射，運行于高500km、傾角為97.37°的太陽同步軌道，設計壽命2年。此前，科學家們在地面上已在相距300km的距離成功進行了量子糾纏實驗，而墨子號把這個實驗帶到外層空間。該衛星發射后，將在國際上首次實現空間大尺度的量子密鑰分發和量子隱形傳態實驗，這可以推進人類對大尺度范圍量子力學規律的認識，并帶動我國量子物理整體水平大幅提升。

整個項目分為衛星和地面兩大部分。在地面，項目已經完成了一系列關鍵技術測試；衛星發射后要完成三大任務：衛星和地面絕對安全量子密鑰分發、驗證空間貝爾不等式（Bell's inequality）和實現地面與衛星之間量子隱形傳態。這些實驗是通過我國自主研發的星地量子通信設備完成，它能夠產生經過編碼的、甚至是糾纏的光量子并發射到地面上，與之對接的地面系統則負責接收光量子，這種被稱為“針尖對麥芒”的光量子發射和接收需要超高精度的瞄準、捕獲和跟蹤。

7　精確對準

在衛星的飛行過程中，它攜帶的2個激光器要分別瞄準2個地面站，向左向右同時傳輸量子密鑰。為了讓穿越大氣層后光子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，在飛行的過程中要始終保證精確對準。跟蹤要達到相當高的精度，這也是國際上從來沒有人做過的。激光器一站對準一站的有人做過，但是用1顆衛星對準2個地面站的從來沒有過，而且還要保證對得準確，這方面我國研制團隊已經在地面上做過模擬仿真實驗，但還是要在上天以后才知道最終成功與否，所以這也是很大的技術挑戰。如果能夠做到的話，在國際上也是第一次做這么高精度的跟蹤和地面站配合。

量子密鑰分發較簡單，就是相當于我在衛星上，你在地面，我將一連串的單個光量子下發到你手中，你就能把信號給解碼出來，這個任務就完成了。此后，4個光學地面站可以接收衛星傳下來的信號進行量子通信，在衛星的幫助下，這4個地面站任何兩兩之間都可以實現一個安全的通信。

發射量子科學實驗衛星的主要目的正是旨在開展衛星與地面之間絕對安全的高速量子密鑰分發實驗，通過高精度的捕獲和跟瞄系統，建立超遠距離的量子信道，并在此基礎上進行廣域量子通信網絡的演示。

該衛星的核心是一個能夠產生成對糾纏光量子的晶體，無論它們分開多遠，其性質仍然能糾纏在一起。其第一個任務是發送這些成對量子中的一方去往在北京和維也納的地面站，并使用它們來生成密鑰；第二個任務是驗證貝爾不等式，證明這個糾纏可以存在于相隔1200km的量子之間，因為量子理論預測糾纏一直存在于任何距離，驗證貝爾不等式將會證明該理論預測的正確性；第三個任務是嘗試地面與衛星之間量子隱形傳態，使用通過傳統方式傳輸來的糾纏光量子對及其所攜帶的信息，在一個新位置重建光子的量子狀態。如果首顆衛星進展順利，今后我國還將發射更多的量子通信衛星，如果要在全世界范圍內保障通信安全，大約需要20顆量子通信衛星。

8　衛星組成

墨子號包括衛星平臺和科學有效載荷兩部分，采用衛星平臺和有效載荷一體化設計，所以體積不大。它借鑒了成熟的小衛星平臺，由結構與機構分系統、熱控分系統、電源分系統、測控分系統、姿控分系統、星務分系統、數傳通信分系統等組成。科學有效載荷有4個，還配置了2套獨立的有效載荷指向機構，通過姿控指向系統協同控制，可與地面上相距千米量級的2處光學站同時建立量子光鏈路，光軸指向精度優于3.5μrad。

該衛星的內部最為核心的結構分為2層，下面一層是衛星平臺的一個控制系統，上面一層所搭載的是量子通信衛星的4種有效載荷。

量子密鑰通信機：其主要功能是量子密鑰產生發射、糾纏發射、量子光接收探測、信標光及同步光發射和捕獲跟蹤瞄準（ATP）等。它由3個功能部分組成：擺鏡光機系統，捕獲跟蹤瞄準控制電子學設備以及量子電子學設備。其結構上分為2個單機，量子密鑰通信機光機主體與量子密鑰通信機電控箱。

量子糾纏發射機：其主要功能是量子糾纏發射、量子密鑰產生發射、信標光及同步光發射和大范圍捕獲跟蹤瞄準。它由3個功能部分組成：捕獲跟蹤瞄準光機系統、捕獲跟蹤瞄準控制電子學設備以及量子電子學設備。其結構上分為2個單機，量子糾纏發射機光機主體與量子糾纏發射機電控箱。

量子糾纏源：其是星上糾纏光量子對的產生源頭，也是糾纏分發實驗核心。它由2個功能部分組成：光機子系統和量子電子學設備，主要具備與量子密鑰通信機分系統、量子糾纏發射機分系統的光接口，以及與量子實驗控制與處理機分系統的電接口。

量子實驗控制與處理機：其主要功能是實現密鑰分配實驗的密鑰基矢比對、密鑰糾錯和隱私放大，最后提取最終密鑰。此外，還可以實現糾纏試驗的數據分析處理。它包括電源管理、量子通信及流程控制電路、量子試驗處理電路、隨機數功能電路、電路箱結構等5個部分。

其工作過程比較簡單：從衛星上下發一連串單個光量子，地面光學實驗站接到信號之后進行解碼，如果成功，就相當于完成了通信。如果在衛星的幫助下，地面上的2個實驗站能夠進行安全通信，就可以組織通信網絡了。

9　四大實驗

為實現科學目標，這次將借助衛星平臺在廣域范圍開展量子密鑰分發、廣域量子密鑰網絡、量子糾纏分發和量子隱形傳態4項科學實驗。

星地高速量子密鑰分發實驗。在高精度捕獲、跟蹤、瞄準系統的輔助下，建立地面與衛星之間超遠距離的量子信道，實現衛星與地面之間的量子密鑰分發，開展絕對安全的保密通信實驗，量子密鑰初始碼產生率大于1kbit/s。

廣域量子通信網絡實驗。在地面建立2個光纖量子通信網絡，通過光纖與其相鄰的固定量子通信地面站連通。當衛星飛過量子通信地面站1上空時，通過星地量子密鑰分發過程在地面站1和衛星間建立密鑰K1；同理，地面站2和衛星間建立量子密鑰K2。衛星通過經典信道將K1和K2的異或結果公開發布，地面站1和地面站2之間建立絕對安全的量子密鑰，通過這樣的方式將2個分隔遙遠的地面光纖網絡相互聯通，實現廣域覆蓋量子通信網絡。

星上載荷配置關系

星地量子糾纏分發實驗。衛星上的量子糾纏光源同時向2個地面站分發糾纏光量子，在完成量子糾纏分發后，對糾纏光量子同時進行獨立的量子測量，通過對千米量級量子糾纏態的觀測，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。

地星量子隱形傳態實驗。地面量子糾纏源將糾纏光量子對中的1個光量子通過地面發射望遠鏡發送到衛星，另1個放入量子存儲器存儲起來。衛星把收到的光量子和未知量子態進行聯合貝爾態測量，同時將測量結果通過經典信道送給地面站。地面將另1個糾纏光量子從存儲器讀出，并根據衛星的測量結果進行相應的幺正變換，從而得到衛星的未知量子態。通過這樣的未知量子態隱形傳遞過程，可驗證量子力學的非定域性。

墨子號量子科學實驗衛星有效載荷總裝示意圖

10　應用系統

科學應用系統負責整個“量子科學實驗衛星”工程科學實驗計劃的制訂、科學實驗的實施、科學數據和應用的處理、傳輸、存儲、管理與發布。

科學應用系統由1個中心（科學實驗中心）、2套網（廣域量子密鑰應用平臺）和5個站（4個量子通信地面站、1個空間量子隱形傳態實驗站）組成。

烏魯木齊南山站和青海德令哈站依托現有天文臺新建了量子通信地面站和2臺1.2m口徑的光學望遠鏡；北京興隆和云南天文臺依托現有的光學望遠鏡進行改造，建成了量子通信地面站。

光學望遠鏡主要用于對星上量子光、信標光和同步光的接收，其包含的粗精跟蹤單元能夠實現對衛星的精確指向和跟蹤，同時旁軸發射信標光，用于衛星載荷對地面站的跟蹤。

科學實驗任務與系統配置對應表

科學應用系統地理分布圖

據悉，按照規劃，我國在2016年發射首顆量子通信衛星，建設以4個量子通信地面站和1個空間量子隱形傳態實驗站為核心的空間量子科學實驗系統后，還將發射更多衛星。到2020年，我國量子通信市場規模將達210億元人民幣。隨著量子通信在各領域的不斷滲透，預計國內量子加密潛在市場規模有望達到500億～1000億元人民幣。到2020年還要實現亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發，屆時，聯接亞洲與歐洲的洲際量子通信網也將建成。到2030年左右，我國將建成全球化的廣域量子通信網絡。

宗河/文

World's First QUESS Mozi Launched