我國"墨子號"量子衛星的「星路歷程」

量子科技的進步不但推動了通信安全的提升，還將帶來計算能力的飛躍。量子衛星首席科學家潘建偉介紹，利用萬億次經典計算機分解300位的大數需要15萬年，而利用萬億次量子計算機，只需要1秒。同樣，在大數據和人工智慧里，求解一個億億億變數的方程組，利用目前最快的億億次「天河二號」計算機大概需要100年左右，但是如果利用萬億次的量子計算機，只需要0.01秒。

量子計算的應用將非常廣泛，而這可能大大改變人類的生活。因為量子技術不僅可以解決大規模的計算機難題，進行氣象預報、藥物設計、金融分析、石油勘探，而且還能揭示新能源新材料、高溫超導、量子霍爾效應等複雜的物理機制。

「隨著量子技術的發展，未來五年，量子科技將在金融、通信等領域率先得到應用，十年後大的機構可能會參與進來，也許十五年後，可以做量子加密晶元惠及大眾，屆時銀行轉款等都不用再擔心賬號被盜用或遭遇黑客攻擊。將來在人類生活中，來自量子世界的果實會無處不在。」潘建偉說。

而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複製性和絕對安全性。一旦有人竊取密鑰，整個通信信息就會「自毀」並告知使用者。

比如，甲、乙二人要進行安全通信，甲發出的光子信息狀態有水平、豎直、45°等，假設有人竊聽，由於光子不可分割，首先竊聽者根本無法分割出「半個光子」；其次，因為單次測量測不準、不可克隆的量子態特性，竊聽者無法複製信息；第三，一旦竊聽者截獲光子，乙就收不到信息，也就不存在竊聽。

無論怎樣，根據量子力學原理，竊聽都可以被發現。一旦被發現，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。

換句話說，量子衛星上天后，其發送的每一封信都將是只有天知地知，你知我知的秘密。

此次量子衛星發射也是為了實現天地之間的量子保密通信做準備，如果能成功，將意味著我國有望建成大範圍的全球量子通信網路。

絕技二：讓信息跨時空穿越

孫悟空翻筋斗雲，一瞬間跨越十萬八千里，電影《星際穿越》里，物體可以從此處消失，彼處出現，這些場景雖然匪夷所思，卻在量子世界裡可以實現。因為在量子理論對世界的描述中，一個物體可以同時處於多個位置，粒子也可以無阻礙似地穿過障礙物。

量子，被科學家稱為物理世界的「小精靈」，它不是一種粒子，而是一個能量的最小單位，包括分子、原子、電子、光子等在內的所有微觀粒子都是量子的表現形態。因此從某種程度上說，人類就是一個龐大量子的集合！每一次的呼吸，都包含著上萬億量子的進出！

量子「精靈」可不是浪得虛名，它自帶的高超技能連物理學家都無法解讀。如果兩個量子粒子處在特殊的狀態（俗稱糾纏態）中，不管其空間分離得多遠，當對其中一個粒子施行操作或測量，遠處的另一個粒子狀態會瞬時地發生相應的改變，就像一些雙胞胎之間存在的心電感應。愛因斯坦稱這個現象為「幽靈般的超距作用」，而究竟為什麼會這樣，科學家們至今都無法破解。

雖然現在還弄不清量子糾纏的原理，但科學家們卻可以利用這一現象作為通信的手段。利用量子糾纏技術，通過量子密鑰傳輸和量子隱形傳態的方式，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。需要傳輸的量子態信息如同科幻中描繪的超時空穿越，在一個地方神秘消失，不需要任何載體攜帶，又在另一個地方神秘出現。

8月16日發射的量子衛星「墨子號」是空間科學戰略性先導專項的科學衛星之一。當時的青年學者潘建偉也已經成為現在我國量子科學實驗衛星項目首席科學家，他提出了「墨子號」的科學目標：一是進行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；二是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。

「墨子號」就像一個太空信使，作為地面上兩個實驗站的中介，構建一個區域通信網路，海量信息在這個網路間穿梭如影，全天時傳播。

絕技三：超高難度收發技術

量子衛星上天后，它會將經過編碼的、甚至是糾纏的光子發射到地面上，每秒要發射一億個光子，與之對接的地面系統則負責接收光子並進行解碼，完成通信過程。

這一接一收看似簡單，卻絕對不是一件容易的事情。據量子衛星首席科學家潘建偉介紹，量子科學實驗衛星在飛行的過程中，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，「就相當於人坐在萬米高空的飛機上，往下扔連續硬幣，每一個都要準確丟到儲蓄罐狹小的投幣口，而儲蓄罐還在慢慢旋轉。」量子科學實驗衛星工程常務副總師兼衛星總指揮王建宇說。

這種星地間「針尖對麥芒」的通信不但對衛星的對準和偏正提出高要求，還要求地面探測有極高的靈敏度。「光子是光里最小的單位，要探測到每個光子，就像在地球上，要看到月球上劃亮的一根火柴。」王建宇說。

儘管困難重重，但是經過不懈努力，我國自主研發的量子衛星突破了一系列高新技術，包括同時瞄準兩個地面站的高精度星地光路對準、星地偏振態保持與基矢校正、星載量子糾纏源等工程級關鍵技術等。

在全球的量子通信競賽中，中國雖然並不是起步最早的，但是目前中國在量子通信領域已經實現「彎道超車」，並成為首個將量子科學實驗送入太空的國家。「現在義大利、德國、加拿大等國家都紛紛主動前來要跟我們合作。」潘建偉說。

四問量子技術

1問：量子究竟是什麼？

答：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。比如，光子是光能量的最小單元，不存在「半個光子」，同理，也不存在「半個氫原子」「半個水分子」等等。量子世界中有兩個基本原理：

——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」理論曾經形象地表述為「一隻貓可以同時既是活的又是死的」。

——量子糾纏，類似分身術，二者無論距離多遠都「心有靈犀」。當兩個微觀粒子處於糾纏態，不論分離多遠，對其中一個粒子的量子態做任何改變，另一個會立刻感受到，並做相應改變。

2問：量子技術能實現瞬間移動嗎？

答：「量子態隱形傳輸」是基於量子疊加和量子糾纏的特性，就是甲地某一粒子的未知量子態，可以在乙地的另一粒子上還原出來。其實傳輸的是粒子的量子態，而不是粒子本身。這種狀態傳送的速度上限仍然是光速，也不是「瞬間移動」。

現在，在光子、原子等層面已經實現了量子態隱形傳輸。電影里「大變活人」在原理上是允許的，但目前還遠遠做不到。因為科幻電影里人的傳送，不僅需要把人的實體部分的大量原子、分子傳送，並且嚴格按照原來的相對位置重新排列起來，更何況重現意識和記憶就更複雜了。

不過，隨著科學的發展和技術的進步，也許未來我們還是可以實現人的量子隱形傳態，到那時星際旅行就不是夢啦。

3問：量子大腦會不會取代人類大腦？

答：所謂量子大腦，其實就是當今正在研製中的量子計算機。未來的量子計算機可能會對人工智慧起到極大的幫助，在數據搜索、分析和處理方面提供遠遠超過目前經典計算機的運算能力。

機器人都是預先設置好程序的，而人是有意識和自由意志的。研究發現，人腦中的思維機制與量子疊加、量子糾纏或許存在相似之處。所以也有學者認為，未來可望創造出與人腦一樣運行的人工智慧機器人。真到這種程度，機器與生物之間的界限已經非常模糊。這目前還只是一種暢想，未來究竟怎樣還得拭目以待。

4問：量子技術何時能實現民用？

答：量子通信目前已經實現在金融、政務系統等中的使用。要讓每個人都用上，樂觀的話需要10到15年。這需要對網路基礎設施進行改造，還涉及到標準制定。到時候，個人的網上銀行、手機支付、信用卡等就再也不怕被盜號，「稜鏡門」那樣的泄密事件也不會發生了。

而量子計算目前仍然處於基礎研究的階段，前進道路上還面臨著巨大的挑戰，不知道在二、三十年的時間內能否實現初步應用。一旦取得進展，其意義將是極其重大的。

「墨子號」的「星路歷程」

我國自主研製的全球首顆量子科學實驗衛星從最初醞釀和前期技術貯備，到如今成功發射，前後歷時十多年。

2003年，潘建偉提出量子科學實驗衛星計劃。

2011年1月，中科院空間科學先導專項啟動，量子衛星納入其中。

2011年12月，量子科學實驗衛星工程啟動。

2012年12月，轉入初樣研製階段，衛星開始成形。

2014年12月，轉入正樣研製階段，衛星開始成熟。

2015年12月，完成星地光學對接試驗，達到科學目標要求。

2016年2月，完成大系統聯試，協調匹配性得到驗證。

2016年7月，量子衛星和長征二號丁火箭從上海運往酒泉。

2016年8月16日，發射成功。

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