“墨子號”與量子通信

賴迪輝

量子是能表現出某物質或物理量特性的最小單元，量子理論是現代物理學的兩大基石之一。雖然直到現在，物理學家關于量子力學的一些假設還不能被充分地證明，仍有很多需要研究的地方，但是這并不影響人們利用它，量子通信就是基于量子理論的一種新技術。2016年8月16日，國際上首顆量子科學實驗衛星“墨子號”在酒泉衛星發射中心成功發射，為我國引領世界量子通信技術發展、開展檢驗量子物理基本問題前沿研究，奠定了堅實的科學與技術基礎。

總體參數

總體質量：640千克

運行軌道：太陽同步軌道（約500千米）

設計在軌運行壽命：兩年

發射工具：長征2D運載火箭

配套設施：1個中心（合肥量子科學實驗中心）、4個量子通信地面站（分別位于河北興隆、新疆烏魯木齊、青海德令哈、云南麗江）、1個量子隱形傳態實驗站（西藏阿里量子隱形傳態實驗平臺）

自主研發的“四種武器”：量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源、量子試驗控制與處理機。

四大實驗任務：星地高速量子密鑰分發實驗、廣域量子通信網絡實驗、星地量子糾纏分發實驗、地星量子隱形傳態實驗。

主要科研任務：

通過量子衛星實現衛星和地面的量子密鑰分發，從而實現廣域的量子保密通信;對量子力學本身的基本原理進行檢驗;證明全球規模的量子通信網絡設想是可行的。

“薛定諤的貓”理論示意圖

絕對安全的量子通信

量子是構成物質的基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可再分割。量子世界中有兩個基本原理：

1.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。著名的“薛定諤的貓”理論曾經形象地將此原理表述為“一只貓可以既是活的又是死的”。

2.量子糾纏，類似孫悟空和他的分身，二者無論距離多遠都“心有靈犀”。當兩個微觀粒子處于糾纏態，不論它們相距多遠，如果對其中一個粒子的量子態做任何改變，另一個就會立刻感受到，并做相應改變。

傳統通信信號只有0和1，發生竊聽時，這兩種信號不會被擾動。兩人打電話時，他人可通過竊聽器從通信線路中的成千上萬個電子中分出一些電子，使其進入另一條線路，從而實現竊聽，而通話者無法察覺。量子通信則完全不會出現這個問題，這是因為其密鑰具有不可復制性和絕對安全性。比如，甲乙兩人進行量子通信，甲發出的量子信息狀態有水平、豎直和旋轉 45°等，假設有人竊聽，由于量子不可分割，首先竊聽者根本無法分割出“半個量子”;其次，由于單次測量測不準、不可克隆的量子態特性，因此竊聽者無法復制信息;第三，一旦竊聽者截獲攜帶量子信息的粒子，乙就收不到信息，也就不存在竊聽。一旦發現竊聽，原有密鑰立即作廢。甲就可以把沒有被竊聽的密鑰傳送過去，利用產生的密鑰進行一次一密、完全隨機的加密。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性可以實現安全量子密鑰分發，實現不可破譯的保密通信，也就達到了真正意義上的“心有靈犀一點通”！

量子通信系統的問世，重新點燃了建造“絕對安全”通信系統的希望。得益于這種“絕對安全”，通過量子通信，人們可以從根本上解決國防、金融、政務、商業等領域的信息安全問題。因此，量子通信被視為保障未來信息社會通信安全的重要技術基礎，成為許多國家優先發展的科技和產業高地。

國內外的量子通信發展情況

20世紀90年代以來，隨著相關重大基礎科學問題的解決和實驗技術的迅猛發展，量子信息科技已進入深化發展、快速突破的新階段。量子通信技術已經處于系統集成、工程化和產業化攻關階段，呈現出重大產業革命的先兆。各科技強國都在積極整合研究力量和資源，力爭在量子信息技術大規模應用方面占據先機。

歐盟在2008年發布了《量子信息處理與通信戰略報告》，提出了歐洲量子通信的分階段發展目標，包括實現地面量子通信網絡、星地量子通信、空地一體的千千米級量子通信網絡等。日本防衛省將量子通信列為未來的技術儲備。2010年，日本聯合歐洲多個研究組在東京建設了東京量子密碼網絡，集中展示最新成果，在 90千米的現場光纖上實現了量子密鑰分發和通信應用。

美國DARPA和Los Alamos國家實驗室于2009年分別建成了兩個多節點量子通信互聯網絡，與空軍合作進行了基于飛機平臺的自由空間量子通信研究。2014年初，美國航空航天局（NASA）正式提出了在其總部與噴氣推進實驗室（JPL）之間建立千千米量級量子通信干線的計劃。2016年，美國發布《推動量子信息科學：國家挑戰與機遇》報告和《與基礎科學、量子信息科學和計算交匯的量子傳感器》報告，同年，NASA用城市光纖網絡實現了量子遠距離傳輸。

加拿大、韓國、新加坡等國紛紛設立專項基金和研究中心，致力于量子通信研究：加拿大滑鐵盧大學量子計算研究所成功將量子信息從地面站傳輸到移動的飛機上;韓國計劃2020年建成國家量子通信網絡;新加坡國立大學和英國思克萊德大學合作，利用5千克的衛星開展量子實驗。

經過20多年的發展，我國的量子信息研究成為具有國際優勢的研究領域，形成了很強的理論和實驗技術儲備，培育了一批優秀的研究團隊，在量子通信、量子計算等研究方向上產生了一批具有重要國際影響的研究成果。

“十三五”期間，國家重點研發計劃“量子調控與量子信息”重點專項瞄準我國未來信息技術和社會發展的重大需求，特別對我國有優勢和引領作用的量子通信領域加強了支持力度。

在量子通信領域，我國在國際上首次實現了安全距離超過百千米的光纖量子通信和首個全通型量子通信網絡，建成了首個規模化城域量子通信網絡，首次將自由空間量子通信的距離突破到百千米量級。我國自主研制的量子通信裝備為60周年國慶閱兵、黨的“十八大”、紀念抗戰勝利70周年閱兵等國家重要活動提供了信息安全保障。

2016年底，連接北京、上海的高可信、可擴展、軍民融合的光纖量子保密通信骨干網“京滬干線”全線貫通，推動了量子通信技術在國防、政務、金融等領域的應用，并帶動了相關產業的發展。“墨子號”量子衛星與“京滬干線”相結合，初步構建成我國天地一體的廣域量子通信基礎設施，全面服務于國家信息安全。

“墨子號”名字的由來

墨子是我國古代偉大的科學家，最早提出“光線沿直線傳播”的觀點，設計了小孔成像實驗，奠定了光通信、量子通信的基礎。以他的名字命名我國的量子科學實驗衛星，是為了紀念墨子的功績，同時也可以體現我們國家的文化自信。