全球首顆量子科學實驗衛星發射成功，什麼叫做量子通信？

量子是什麼？

所謂量子，是構成物質的最基本單元，是能量，動量等物理量最小單位，不可分割。像電子、光子等構成物質的基本粒子，統稱為量子。

除了不可分割性，量子還具有不可克隆（複製）性。因為克隆一個東西首先要測量這個東西的狀態，但是量子通常處於極其脆弱的「疊加態」，一旦被測量就會馬上改變狀態，不再是原來那個量子了。

量子的不可克隆性是量子通信安全性的根本來源。因為竊聽信息等於先複製了這個信息，量子的不可克隆性保證了量子信息本身（或者由它生成的量子密碼）不會被複制，因此斷絕了一切竊聽的可能性。

量子糾纏

量子糾纏是兩個量子形成的疊加態。一對具有量子糾纏態的粒子，即使相隔極遠，當其中一個狀態改變時，另一個狀態也會即刻發生相應改變。

量子糾纏被愛因斯坦稱為「鬼魅般的超距相互作用」。量子糾纏會違反著名的「貝爾不等式」，因此檢驗貝爾不等式成為驗證量子力學是否正確的主要標誌之一。

什麼叫做量子通信？

量子通信主要有兩種方式，一種是利用量子的不可克隆性質生成量子密碼，他是二進位形式的，可以給經典的二進位信息加密，這種通信方式稱為「量子密鑰分發」。我們下一節會單獨介紹。

第二種是利用量子糾纏用來傳輸量子信息的最基本單位——量子比特。兩個處於糾纏態的粒子A和B，不論它們分開多遠，我們把其中一個粒子（A）和攜帶想要傳輸的量子比特的粒子（C）一起測量一下，C的量子比特馬上消失，但是B就馬上攜帶上了C之前攜帶的量子比特，我們把這個過程叫做「量子隱形傳態」。

根據量子力學「不確定性原理」，處於糾纏態的兩個粒子，在被觀測前，其狀態是不確定的，如果對其中一粒子進行觀測，在確定其狀態的同時（比如為上旋），另一粒子的狀態瞬間也會被確定（下旋）。

量子密鑰分發

「稜鏡門」一出，從各國元首到普通民眾深感危機，隱私安全與信息安全再次被廣泛討論。基於電子方式的通信，基於數學方法的密碼，已經無法保證不被破解。

量子密鑰分發可為我們現在的通信建立牢不可破的量子密碼，從根本上保障我們的通信安全。量子密鑰分發以一個個單獨的光子作為載體，通過收發雙方通過隨機測量這些光子，選取共同測量方式的那些測量結果，就會形成一組量子密鑰。如果中間有人竊聽，收發雙方的測量錯誤會瞬間上升，馬上就會察覺有竊聽的存在。所以一組成功生成的量子密鑰一定是排除了一切竊聽的絕對安全的密鑰，用它加密的信息也是不可破譯的。

全球首顆量子科學實驗衛星

由中國科學技術大學和中科院上海技物所共同研製的這顆衛星質量約640千克，將由火箭發射至高度為500千米的預定軌道。可與地面上相距千公里量級的兩處光學站同時建立量子光鏈路。該衛星將實現世界首個衛星和地面之間的量子密鑰分發，量子糾纏分發和量子隱形傳態。

通過這顆衛星中國將在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，並結合地面已有的光纖量子通信網路，初步構建一個廣域量子通信體系。

文字 | 張文卓 中國科學技術大學上海研究院（中科院量子信息卓越創新中心），副研究員

編輯 | 張蔚涵

製圖 | 張天然

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