全球首颗量子通信卫星“墨子号”成功发射

作者：王心馨
2016-08-16

8月16日凌晨1点40分，中国自主研制的全球首颗“量子通信卫星”在酒泉顺利发射升空。这意味着世界上将首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建一个天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

同时，这也意味着经过近十年的发展，中国在量子通信领域已经实现了弯道超车，走在了全球发展的前列。

中国自主研制的世界首颗量子卫星，被正式命名为"墨子"。量子卫星首席科学家潘建伟院士说，墨子最早提出光线沿直线传播，设计了小孔成像实验，奠定了光通信、量子通信的基础。以中国古代伟大科学家的名字命名量子卫星，将提升我们的文化自信。

据了解，“墨子号”经过5年的研制，今年开始与运载火箭对接，高1.7米，重量为640公斤。其搭载有量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验控制与处理机等有效载荷，具备两套独立的有效载荷指向机构，通过姿控指向系统协同控制，可与地面上相距千公里量级的两处光学站同时建立量子光链路。其中最重要的一个载荷叫纠缠源，它只有机顶盒的大小，但是作用却非常关键，因为它能够产生纠缠光，而这也是这颗卫星在空中做各种量子实验的一个源头，平时实验室里纠缠源的体积非常巨大，但是，研究人员不仅把它做到了小型化，还通过一系列的创新让它实现了满足这种空间的环境要求，这在国际上是首次实现的。

量子通信卫星。

从中科院提供的信息显示，量子卫星的寿命为两年时间，将完成四大任务：星地高速量子密钥分发实验，广域量子通信网络实验，星地量子纠缠分发实验和地星量子隐形传态实验。

卫星在轨运行的两年的时间里，会和地面的五个台站一起配合，做大量的科学实验。

中国成为量子通信领域引领者

潘建伟在接受央视采访时表示，为了量子卫星实验，他们建立有史以来最大的实验室。

“量子卫星到地面跨度为500公里，两个接收点之间的距离是1200公里。所以我们的实验室的大小是500乘以1200，是60万平方公里。量子纠缠从前也没有在天上进行过实验，为了保证两个站点能接收很好的信号，我们上天的纠缠源是目前全世界最好的纠缠源。同时我们保证探测器能在宇宙射线的辐照之下，还能很好的存活。”潘建伟说。

通过“墨子号”的通信设备，经过编码的光子将被发射到地面，由地面系统负责接收。量子卫星的两个激光器必须分别瞄准两个地面站，精度极高，被称为“针尖对麦芒”。

除了涉及天上的卫星外，实验还涉及合肥中心和乌鲁木齐南山、北京兴隆、青海德令哈、云南丽江和西藏阿里站五个台站。其中北京的兴隆站、新疆的南山站、青海的德令哈站和云南的丽江站，是四个量子通信地面站，主要参与量子密钥分发和量子纠缠分发这两大项实验。南山和德令哈的1.2米口径望远镜和改造后的兴隆、丽江米级望远镜是核心部分。位于西藏的阿里站则主要配合卫星一起参与第三项量子科学实验——量子隐形传态。

“一颗卫星对准两个地面站的实验从来没有过，国际上也是第一次做这么高精度的跟踪和地面站配合。”中科院国家空间科学中心主任吴季说。

今年46岁的浙江东阳人潘建伟，是国内量子通信的领军人物。从2000年左右开始，潘建伟就陆续把学生送到多个实验室，经过近十年的努力，组成了一个互补的团队，做出了国际上仅依靠单一团队无法做出的成绩。

“比如，陆朝阳去了剑桥大学卡文迪实验室，陈宇翱去了德国的马普所，张强去了斯坦福大学，张军去了瑞士，陈宇去了加州圣塔芭芭拉分校。2011年前后，所有学生全部如约回国。除了团队外，国内多年来的航天基础也给我们这个领域帮助很多。两个领域里的前瞻性布局，让我们很幸运的走在了前面。”潘建伟说。

此后，中国还将陆续发射卫星，建成全球第一个实现卫星和地面之间量子通信的国家。今年下半年，京沪量子通信干道也将建成，届时国内将初步形成广域量子通信体系。按照规划，到2020年，中国将实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发；到2030年左右，中国将建成全球化的广域量子通信网络。

中国量子通信建设的里程碑。

兴业通信唐海清团队认为，一旦卫星发射成功，将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建一个天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。届时，在太空开展量子密钥传输实验，世界上第一封不可被窃听、破译的密信将要诞生，量子通信产业腾飞在即。

值得一提的是，量子通信和量子计算在今年第一次写入国家战略《十三五规划》，解决了中国核心芯片和软件无法国产化的问题。除此之外，唐海清认为，国内未来还有望建设一纵一横，三个环网以及七纵七横；量子计算机预计将7-8年后面世，倒逼量子加密产业，打开万亿市场空间。

量子的“分身术”和“远程心灵感应”

有了量子通信网络，未来我们的信息传送几乎可以做到无法被窃取，更无从破解。那么量子究竟有什么样的魔力，又是如何能做到通信的“无懈可击”的？

要理解量子通信，得从量子的概念开始。构成物质的最小单元是基本粒子，而量子就是质量、体积、能量等各种物理量的最小单元，而且它也要以某种粒子状态存在。潘建伟的弟子、中国科学技术大学近代物理系教授陈宇翱曾在一次科学讲坛上对量子世界做过一次形象生动的科普。

量子是一个能量的最小单位，所有的微观粒子包括分子、原子、电子、光子，它们都是量子的一种表现形态。世界本身都是由微观粒子组成的。所以，某种意义而言，我们身处的这个世界就是由量子组成的。

说到量子世界，量子的两个特性不容忽视，量子叠加原理和由量子叠加原理引申出来的量子纠缠。

量子叠加，通俗来说也可以称为量子的“分身术”。举例来说，《西游记》里孙悟空的一个能力，就是分身术，他可以变出许多分身，一个分身留在唐三藏旁边进行保护，另一个分身则可以跑去智斗妖魔鬼怪。那在量子的世界里，量子就是孙悟空，它也有分身术，但是跟孙悟空的分身术不一样的地方在于，在量子的世界里量子的分身术不能被人看到，一旦有人去看它，它的分身就会随机地消失，而最后只留下一个。

利用这样的特性，能帮助我们提高计算能力。举个例子，如果要分解一个300位的大数，用现在的计算机，需要15万年，用量子的“分身术”并行运算，只要一秒钟就可以算出来。

另一个特性量子纠缠，被爱因斯坦称为具有“鬼魅般的超距作用”。它就像双胞胎心灵感应一样，这两颗量子无论相距多远，表现出来的状态始终是一样的。根据量子力学，两个处于量子纠缠态的粒子无论相隔多远，改变其中一个粒子的状态，另一个粒子的状态就会马上随之改变。这种状态之间的关联不需经典物理学中的力场或电场，其关联速度也可认为超过光速，这被称为“量子非定域性”。

基于这样的特性，你不可能实现对一个未知量子比特的精确复制。因为一旦信息被人挟持，量子会自动发生变化，接收者也因此能察觉，而偷窥者也看不到原貌。

以第一个量子密码通信协议BB84为例，信息的发送方发送一个个单光子给接收方，接收方收到光子后，逐个进行测量。对于微观量子态来说，测量方式会影响测量结果，接收方只有用与发送方一致的测量方式，才能得到与发送方一致的结果。在通信过程中，接收方将接收每一个光子时的测量方法告诉发送方。发送方通过对比，保留下与自己测量方式相同的那些光子，告诉接收方，这就形成了量子密钥。根据不可克隆原理，如果有人中途对光子进行拦截和测量，会改变光子的状态，窃听行为也就无法得逞。

国际量子信息科学领域竞争激烈

正是因为量子具有如此巨大的魅力，除了中国在部署量子通信外，国外的许多发达国家也在积极备战量子信息科学发展。

美国国家科学技术委员会（NSTC）在7月份，发布了《推进量子信息科学：国家的挑战与机遇》的报告。报告中，美国国家科学技术委员会对量子信息科学的重要性，前瞻性进行了阐述，还介绍了美国在量子信息科学的研究发展状况。该委员会认为量子计算能有效推动化学、材料科学和粒子物理发展，未来可能最终会颠覆众多科学领域，人工智能也当属其中之一。

美国政府随即在官网发文，督促学术界、工业界和政府尽快就量子信息科学（QIS）议题进行交流，以保证量子信息研发的关键需求得到满足。目前，美国科技公司谷歌、IBM等已经在量子计算机领域有所投入。

欧洲国家也不甘自己在量子领域落后。今年4月份，欧盟委员会对外宣布，将斥资10亿欧元投入量子技术，希望这个项目“将会让欧洲处于第二次量子革命的前沿，未来10年在科学、产业和社会方面带来变革性的进展”。

加拿大也是量子领域不可忽视的力量。据《Nature》新闻杂志报道，加拿大的一支科研团队正提出在地面生成纠缠光子对，然后将其中部分发射至重量不到30公斤的微型卫星上。这比在太空生成光子便宜，加拿大量子加密与科学卫星（QEYSSat）团队成员，滑铁卢大学物理学家 Brendon Higgins 说，但是将光子发送到运动的卫星上将是一项挑战。该团队计划首先在飞机上使用光子接收器测试该系统。