“墨子號”成功發射：讓量子通信時代加速到來

寧缺

通信，從生命產生自我意識的那一刻就開始出現，是人類文明發展過程中不可或缺的重要一環。從最開始通過聲音、動作甚至是眼神來傳遞信息，到古代的快馬送信、飛鴿傳書以及烽火報警、擊鼓傳令等手段，通信方式的進步快得令人驚嘆。而如今只要一個電話，即使遠在萬里之外也能聽到親人的聲音；通過網絡，就算隔著整個太平洋，也能夠輕松地與朋友“面對面”聊天。

有的同學可能會問，現代社會的通信方式已經如此先進了，它還有進步的空間嗎？答案當然是“有”，而且科學家們早就有了研究方向——量子通信，一種利用量子力學的全新通信手段。像美國、日本以及歐洲的一些發達國家，都已經在量子通信方面取得了不錯的成績。

對于量子通信的研究，中國自然不甘人后。2016年8月16日，我國成功將世界首顆量子科學實驗衛星（以下簡稱“量子衛星”）“墨子號”發射升空，這標志著中國在量子通信的道路上邁出了重要的一步。

什么叫“量子”？

物質似乎是可以被無限細分下去的：分子、原子、原子核、質子……但量子理論認為，物質和能量都存在最小的不可分割的基本單位，這個基本單位就是“量子”。舉個例子，光子就是光能量的最小單位，所以不可能存在“半個光子”。

“墨子號”織就“天地網”

“墨子號”量子衛星重約640千克，運行在高度約500千米的極地軌道，設計壽命為兩年。而這顆量子衛星之所以叫作“墨子號”，是因為墨子最早提出光線沿直線傳播，設計了小孔成像實驗，奠定了光通信、量子通信的基礎。以中國古代偉大科學家的名字命名量子衛星，也將提升我們的文化自信。

根據科學研究需要，我國目前已建成一個天地一體化量子科學實驗系統，包括位于太空的“墨子號”量子衛星和一個地面科學應用系統。

中國量子衛星首席科學家潘建偉院士介紹，如果說地面量子通信構建了一張連接每個城市、每個信息傳輸點的“網”，那么“墨子號”量子衛星就像一桿將這張網射向太空的“標槍”。當這張縱橫寰宇的量子通信“天地網”織就，海量信息將在其中來去如影，并且“無條件”安全。

量子通信的基礎——量子疊加和量子糾纏

量子疊加就是指一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上。這是什么意思呢？就是說一個粒子的量子態是同時處于多種狀態中的，打一個不是很恰當的比方，比如一個人身處量子世界，那他既是健康狀態，又是疾病狀態。不過，當你觀察到這個量子態的粒子的時候，它就會表現出確定的狀態。這就是量子世界的神奇之處。

而關于量子糾纏，中國科學技術大學量子實驗室的郭光燦院士曾經用一個有趣的比方來形容這種特性。在美國的女兒生下孩子那一瞬間，遠在中國的媽媽就自動升級成外婆，即使這位媽媽自己并不知情。之所以媽媽一定會成為外婆，就是因為她和女兒之間有一種“糾纏”關系。當兩個微觀粒子處于糾纏態，不論分離多遠，對其中一個粒子的量子態做任何改變，另一個會立刻感受到，并做出相應改變。

量子通信其實就是利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通信方式。我們事先構建一對具有糾纏態的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方。當一端的人觀察到手中的粒子狀態后，立刻就能得知另一端的人手中的粒子狀態。再通過一些技術性操作，不就實現了某種程度上的信息傳遞了么？

APT技術功不可沒

2016年8月26日凌晨，興隆量子通信地面站成功實現了與“墨子號”的天地對接（天上的衛星數據信息通道與地面上的通信站數據信息通道，實現標準規范轉換接通，投入運行），并接收到850納米的通信信號，是幾個地面量子通信站中首個完成對接測試實驗的地面站。

由于激光通信中的通信光束非常窄。為了確保接收方能夠接收到足夠強的信號能量，必須保證通信光束與系統光軸的誤差控制在誤差范圍以內，APT技術正是確保了這一高精度要求。因此，APT技術在星地激光通信中扮演著極為重要的角色。

天地對接的順利實現，標志著量子通信通路已被打通，相信以后“墨子號”會帶給我們更多的驚喜。