中國成功發射首顆量子衛星 四大任務曝光

8月16日凌晨1點40分，中國自主研製的全球首顆「量子通信衛星」在酒泉順利發射升空。這意味著世界上將首次實現衛星和地面之間的量子通信，構建一個天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。

同時，這也意味著經過近十年的發展，中國在量子通信領域已經實現了彎道超車，走在了全球發展的前列。

中國自主研製的世界首顆量子衛星，被正式命名為"墨子"。量子衛星首席科學家潘建偉院士說，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，將提升我們的文化自信。

據澎湃新聞了解，「墨子號」經過5年的研製，今年開始與運載火箭對接，高1.7米，重量為640公斤。其搭載有量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源、量子試驗控制與處理機等有效載荷，具備兩套獨立的有效載荷指向機構，通過姿控指向系統協同控制，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。其中最重要的一個載荷叫糾纏源，它只有機頂盒的大小，但是作用卻非常關鍵，因為它能夠產生糾纏光，而這也是這顆衛星在空中做各種量子實驗的一個源頭，平時實驗室里糾纏源的體積非常巨大，但是，研究人員不僅把它做到了小型化，還通過一系列的創新讓它實現了滿足這種空間的環境要求，這在國際上是首次實現的。

從中科院提供的信息顯示，量子衛星的壽命為兩年時間，將完成四大任務：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和地星量子隱形傳態實驗。

衛星在軌運行的兩年的時間裡，會和地面的五個台站一起配合，做大量的科學實驗。

中國成為量子通信領域引領者

潘建偉在接受央視採訪時表示，為了量子衛星實驗，他們建立有史以來最大的實驗室。

「量子衛星到地面跨度為500公里，兩個接收點之間的距離是1200公里。所以我們的實驗室的大小是500乘以1200，是60萬平方公里。量子糾纏從前也沒有在天上進行過實驗，為了保證兩個站點能接收很好的信號，我們上天的糾纏源是目前全世界最好的糾纏源。同時我們保證探測器能在宇宙射線的輻照之下，還能很好的存活。」潘建偉說。

通過「墨子號」的通信設備，經過編碼的光子將被發射到地面，由地面系統負責接收。量子衛星的兩個激光器必須分別瞄準兩個地面站，精度極高，被稱為「針尖對麥芒」。

除了涉及天上的衛星外，實驗還涉及合肥中心和烏魯木齊南山、河北興隆、青海德令哈、雲南麗江和西藏阿里站五個台站。其中北京的興隆站、新疆的南山站、青海的德令哈站和雲南的麗江站，是四個量子通信地面站，主要參與量子密鑰分發和量子糾纏分發這兩大項實驗。南山和德令哈的1.2米口徑望遠鏡和改造後的興隆、麗江米級望遠鏡是核心部分。位於西藏的阿里站則主要配合衛星一起參與第三項量子科學實驗——量子隱形傳態。

「一顆衛星對準兩個地面站的實驗從來沒有過，國際上也是第一次做這麼高精度的跟蹤和地面站配合。」中科院國家空間科學中心主任吳季說。

今年46歲的浙江東陽人潘建偉，是國內量子通信的領軍人物。從2000年左右開始，潘建偉就陸續把學生送到多個實驗室，經過近十年的努力，組成了一個互補的團隊，做出了國際上僅依靠單一團隊無法做出的成績。

「比如，陸朝陽去了劍橋大學卡文迪實驗室，陳宇翱去了德國的馬普所，張強去了斯坦福大學，張軍去了瑞士，陳宇去了加州聖塔芭芭拉分校。2011年前後，所有學生全部如約回國。除了團隊外，國內多年來的航天基礎也給我們這個領域幫助很多。兩個領域裡的前瞻性布局，讓我們很幸運的走在了前面。」潘建偉說。

此後，中國還將陸續發射衛星，建成全球第一個實現衛星和地面之間量子通信的國家。今年下半年，京滬量子通信幹道也將建成，屆時國內將初步形成廣域量子通信體系。按照規劃，到2020年，中國將實現亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發；到2030年左右，中國將建成全球化的廣域量子通信網路。

興業通信唐海清團隊認為，一旦衛星發射成功，將在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，構建一個天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。屆時，在太空開展量子密鑰傳輸實驗，世界上第一封不可被竊聽、破譯的密信將要誕生，量子通信產業騰飛在即。

值得一提的是，量子通信和量子計算在今年第一次寫入國家戰略《十三五規劃》，解決了中國核心晶元和軟體無法國產化的問題。除此之外，唐海清認為，國內未來還有望建設一縱一橫，三個環網以及七縱七橫；量子計算機預計將7-8年後面世，倒逼量子加密產業，打開萬億市場空間。

量子的「分身術」和「遠程心靈感應」

有了量子通信網路，未來我們的信息傳送幾乎可以做到無法被竊取，更無從破解。那麼量子究竟有什麼樣的魔力，又是如何能做到通信的「無懈可擊」的？

要理解量子通信，得從量子的概念開始。構成物質的最小單元是基本粒子，而量子就是質量、體積、能量等各種物理量的最小單元，而且它也要以某種粒子狀態存在。潘建偉的弟子、中國科學技術大學近代物理系教授陳宇翱曾在一次科學講壇上對量子世界做過一次形象生動的科普。

量子是一個能量的最小單位，所有的微觀粒子包括分子、原子、電子、光子，它們都是量子的一種表現形態。世界本身都是由微觀粒子組成的。所以，某種意義而言，我們身處的這個世界就是由量子組成的。

說到量子世界，量子的兩個特性不容忽視，量子疊加原理和由量子疊加原理引申出來的量子糾纏。

量子疊加，通俗來說也可以稱為量子的「分身術」。 舉例來說，《西遊記》里孫悟空的一個能力，就是分身術，他可以變出許多分身，一個分身留在唐三藏旁邊進行保護，另一個分身則可以跑去智斗妖魔鬼怪。那在量子的世界裡，量子就是孫悟空，它也有分身術，但是跟孫悟空的分身術不一樣的地方在於，在量子的世界裡量子的分身術不能被人看到，一旦有人去看它，它的分身就會隨機地消失，而最後只留下一個。

利用這樣的特性，能幫助我們提高計算能力。舉個例子，如果要分解一個300位的大數，用現在的計算機，需要15萬年，用量子的「分身術」並行運算，只要一秒鐘就可以算出來。

另一個特性量子糾纏，被愛因斯坦稱為具有「鬼魅般的超距作用」。它就像雙胞胎心靈感應一樣，這兩顆量子無論相距多遠，表現出來的狀態始終是一樣的。根據量子力學，兩個處於量子糾纏態的粒子無論相隔多遠，改變其中一個粒子的狀態，另一個粒子的狀態就會馬上隨之改變。這種狀態之間的關聯不需經典物理學中的力場或電場，其關聯速度也可認為超過光速，這被稱為「量子非定域性」。

基於這樣的特性，你不可能實現對一個未知量子比特的精確複製。因為一旦信息被人挾持，量子會自動發生變化，接收者也因此能察覺，而偷窺者也看不到原貌。

以第一個量子密碼通信協議BB84為例，信息的發送方發送一個個單光子給接收方，接收方收到光子後，逐個進行測量。對於微觀量子態來說，測量方式會影響測量結果，接收方只有用與發送方一致的測量方式，才能得到與發送方一致的結果。在通信過程中，接收方將接收每一個光子時的測量方法告訴發送方。發送方通過對比，保留下與自己測量方式相同的那些光子，告訴接收方，這就形成了量子密鑰。根據不可克隆原理，如果有人中途對光子進行攔截和測量，會改變光子的狀態，竊聽行為也就無法得逞。

國際量子信息科學領域競爭激烈

正是因為量子具有如此巨大的魅力，除了中國在部署量子通信外，國外的許多發達國家也在積極備戰量子信息科學發展。

美國國家科學技術委員會（NSTC）在7月份，發布了《推進量子信息科學：國家的挑戰與機遇》的報告。報告中，美國國家科學技術委員會對量子信息科學的重要性，前瞻性進行了闡述，還介紹了美國在量子信息科學的研究發展狀況。該委員會認為量子計算能有效推動化學、材料科學和粒子物理髮展，未來可能最終會顛覆眾多科學領域，人工智慧也當屬其中之一。

美國政府隨即在官網發文，督促學術界、工業界和政府儘快就量子信息科學（QIS）議題進行交流，以保證量子信息研發的關鍵需求得到滿足。目前，美國科技公司谷歌、IBM等已經在量子計算機領域有所投入。

歐洲國家也不甘自己在量子領域落後。今年4月份，歐盟委員會對外宣布，將斥資10億歐元投入量子技術，希望這個項目「將會讓歐洲處於第二次量子革命的前沿，未來10年在科學、產業和社會方面帶來變革性的進展」。

加拿大也是量子領域不可忽視的力量。據《Nature》新聞雜誌報道，加拿大的一支科研團隊正提出在地面生成糾纏光子對，然後將其中部分發射至重量不到30公斤的微型衛星上。這比在太空生成光子便宜，加拿大量子加密與科學衛星（QEYSSat）團隊成員，滑鐵盧大學物理學家 Brendon Higgins 說，但是將光子發送到運動的衛星上將是一項挑戰。該團隊計劃首先在飛機上使用光子接收器測試該系統。

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