揭秘全球首顆量子衛星：無條件安全通信成可能

製圖：蔡華偉

隨著我國成功發射世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」，人類將首次完成衛星和地面之間的量子通信，從而構建一個天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。

什麼是量子和量子通信

量子是物理世界裡最小的、不可分割的基本個體。可以說，整個世界都是由量子組成的。而量子理論，被稱為物理世界的百歲「幽靈」，連不少科學家都為其產生的神秘現象所迷惑，對於普通人來說自然更加高深。但若試著走近它，你會發現這個「幽靈」的魅力。

量子的奇妙之處首先在於它的奇妙特性——量子疊加原理和量子糾纏。

什麼是量子疊加原理？就是說，量子有多個可能狀態的疊加態，只有在被觀測或測量時，才會隨機地呈現出某種確定的狀態，因此，對物質的測量意味著擾動，會改變被測量物質的狀態。「這就好比孫悟空的分身術」，量子衛星首席科學家、中科院院士潘建偉解釋道，「一個孫悟空同時出現在多個地方，孫悟空的各個分身就像是他的疊加態。在日常生活中，我不可能同時出現在兩個地方，但在量子世界裡，作為一個微觀的客體，它同時出現在許多地方。」

而所謂的量子糾纏，則意味著兩個糾纏在一起的量子就像有心電感應的雙胞胎，不管兩個人的距離有多遠，當哥哥的狀態發生變化時，弟弟的狀態也跟著發生一樣的變化。「如果這兩個光量子呈糾纏態的話，哪怕是千公里量級或者更遠的距離，大家認為，還是會出現遙遠的點之間的詭異互動。」潘建偉補充道，兩個處於糾纏狀態的粒子無論相距多遠，都能「感應」對方狀態，愛因斯坦稱之為「幽靈般的超距作用」。科學家就可以利用這種效應將甲地某一粒子的未知量子態，在乙地的另一粒子上還原出來。

隨著這兩種特性被科學家不斷認識，適用於實際應用的新技術也被逐漸開拓出來，量子通信就是其中之一。

以往用以微電子技術為基礎的計算機技術傳遞信息極易遭遇竊聽，但通過把量子物理與信息技術相結合，利用量子調控技術，能夠用一種革命性的方式對信息進行編碼、存儲、傳輸和操縱，從而在確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度等方面突破經典信息技術的瓶頸，這就是量子通信。

通常認為，量子通信分為兩種，一種是量子保密通信(量子密鑰分發)；另外一種是量子隱形傳態。

量子保密通信，就好比一個人想要傳遞秘密給另外一個人，需要把存放秘密的箱子和一把鑰匙傳給接收方。接收方只有用這把鑰匙打開箱子，才能取到秘密。沒有這把鑰匙，別人無法打開箱子，而且一旦這把鑰匙被別人動過，傳送者會立刻發現，原有的鑰匙作廢，再給一把新的鑰匙，直到確保接收方本人拿到。

那麼，為何鑰匙被別人一碰，就能立刻被知曉呢？

因為，科學家利用了上面提到過的量子有多個疊加態的原理，用量子作為密鑰。這樣一來，一旦有人試圖截獲或測試量子密鑰，就會改變數子狀態，科學家便能立刻從改變中發現有人動了鑰匙。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性，就能實現無條件安全的通信方式。

量子通信的另一種——量子隱形傳態也利用了量子的兩大特性，通過隱形傳輸實現信息傳遞。也就是說，將粒子的未知量子態精確傳送到遙遠地點而不用傳送粒子本身。

為何要發射量子衛星

量子保密通信技術已經從實驗室演示走向產業化。在城市裡，通過光纖建構的城域量子網路通信已經開始嘗試實際應用，我國在城域光纖量子通信方面已取得了國際領先的地位。

那為什麼還要把量子實驗室從地面搬到太空呢？

「由於光纖的固有損耗，在光纖中實現遠距離量子通信面臨著巨大挑戰。」潘建偉說。

原來，用量子通信方式傳遞信息，傳送的是光的最小能量單元。但這種最小的顆粒，不能再被分割，也不能複製。即使採用目前最先進的理想單光子探測器，在1000公里光纖中進行點對點量子通信，每300年也只能傳輸一個比特。「就好比一支擁有100萬人的隊伍，到最後可能只剩下幾個人，花了很長時間才能抵達目的地。」這種受制於光纖，不能放大量子通信信號的問題，導致了在遠距離上信息傳遞效率很低，令科學家們一籌莫展。雖然通過量子中繼手段，即分成若干段傳輸來降低每一段的損耗，用「量子接力」的方式解決這一難題，但走向實際應用還需時日。

後來，科學家意識到，真空里不會有光的損耗，想要實現覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要藉助衛星的中轉。

2005年，潘建偉團隊實現了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發實驗，證明光子穿透大氣層後，其量子態能夠有效保持，從而驗證了星地量子通信的可行性。近幾年開展的一系列後續實驗都為發射量子衛星奠定了技術基礎。

「這樣一來，通過發射衛星，去除干擾因素，就可以實現幾千公里的量子通信。」潘建偉說，有了量子衛星，還可以在宏觀距離上檢驗所謂的量子力學的非局域性，也就是「幽靈般的超距作用」。「看看在實驗室里不斷被重複檢驗的理論，放在太空是否還能實現。」

將開展哪些實驗

「量子衛星的科學目標是開展星地高速量子密鑰分發實驗，並在此基礎上進行廣域量子密鑰網路實驗，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。」潘建偉介紹。

量子衛星將主要開展星地高速量子密鑰分發實驗、廣域量子通信網路實驗、星地量子糾纏分發實驗、地星量子隱形傳態實驗共4項科學實驗。其中，星地高速量子密鑰分發實驗就像從衛星向地面分發鑰匙，實現衛星與地面之間以量子密鑰為核心的保密通信試驗。當量子密鑰產生後，通信雙方即可進行保密通信，這個過程從原理上已經證明是絕對不可竊聽、無法破譯的，因此整個通信過程是無條件安全的。

廣域量子通信網路實驗則將在兩個光學地面站間，通過衛星中轉的方式組建真正意義的廣域量子通信網路。「比如當衛星飛過北京上空時，通過星地量子密鑰分發過程，在北京和衛星間建立密鑰；同理，當衛星飛過烏魯木齊上空時，通過星地量子密鑰分發過程，在烏魯木齊和衛星間建立密鑰。這樣，北京和烏魯木齊之間就能建立絕對安全的量子密鑰。」潘建偉舉例，用這種方式就能夠將兩個分隔遙遠的地面光纖量子通信網路相互聯通，真正實現廣域覆蓋量子通信網路。

這些量子科學實驗非常複雜，難度極大，是「針尖對麥芒」的挑戰。這些實驗能夠產生經過編碼的，甚至是糾纏的光量子並發射到地面上，與之對接的地面系統則負責「接收光量子」，這種光量子的發射與接收被稱為「針尖對麥芒」。

「在量子衛星飛行的過程中，攜帶的兩個激光器要分別瞄準兩個地面站，向左向右同時傳輸量子密鑰。這就要求在飛行的過程中必須始終保證精確對準，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。」中國科學院空間科學與應用研究中心主任、空間科學先導專項科學衛星工程常務副總指揮吳季說。

量子科學實驗衛星工程常務副總設計師、衛星總指揮王建宇說，如果把光量子看成一個個1元硬幣，星地實驗就相當於要從在萬米高空飛行的飛機上，不斷把上億枚硬幣發射到地面上一個不斷旋轉的儲蓄罐上，不但要求這枚硬幣擊中這個儲蓄罐，而且要使得硬幣能夠準確地射入儲蓄罐細長的投幣口，並且硬幣要源源不斷地進入儲蓄罐內。

作為我國第三顆科學實驗衛星，量子衛星將使我國在世界上首次實現星地量子通信，真正體現量子通信可向廣域範圍發展的可能性，搶佔國際競爭主動權。

它還將使我國在國際上首次實現具有空間大尺度的量子糾纏分發和量子隱形傳態，率先開展一系列空間尺度的量子力學基礎檢驗實驗，帶動我國量子物理整體水平的大幅度提升。

未來有什麼應用

據專家介紹，量子衛星發射後，天地一體化量子科學實驗系統將投入正式運行，而「京滬幹線」大尺度光纖量子通信骨幹網工程預計今年下半年交付。

「大規模推廣量子通信應用後，將極大提高人們信息傳輸的私密性和安全性。」潘建偉說，建好「量子互聯網」後，人們不用再擔心任何信息泄露，從而避免惡意攻擊和欺詐行為。

量子保密通信，能夠從三個方面保障信息安全。第一，發送者和接收者之間的信息交互是安全的，不會被竊聽或盜取。第二，「主僕」身份能夠自動確認，只有主人才能夠使喚「僕人」，而其他人無法指揮「僕人」。第三，一旦發送者和接收者之間的傳遞口令被惡意篡改，使用者會立刻知曉，從而重新發送和接收指令。

「信息安全根本上需要解決的，就是傳輸內容不被別人知道、保證接收者是和發送者對話，以及信息不被篡改。」潘建偉說，僅僅發射一顆衛星是不夠的，只有形成星座才能建構起網路，而且需要地面配置相應基礎設施，確保網路聯接到千家萬戶。

「比如，將來可以在手機中植入量子加密晶元，用來接收並存儲密鑰。」潘建偉描述了一幅未來場景，人們只需要每天在家裡，將手機和量子密鑰分發機連接，就能夠實現保密通信。「走到這一步，還需要對網路基礎設施進行改造，制定通信標準等，10年至15年，有望實現。」

得益於這種絕對安全性，量子通信不僅應用於百姓日常通信，也可用於水、電、煤氣等能源供給和民生網路基礎設施的通信保障，還可應用於國防、金融、商業等領域，勢必對產業界和科技界產生巨大變革。

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