超乎想像的量子通信，看了你就知道量子衛星有多厲害

文/科技富能量創作團隊 楊群

古往今來，人類一直在尋找絕對安全的加密方法。古時候，人們通過對信件滴蠟蓋上火印防止被偷看；到了近代，特別是戰爭時期，各國之間最重要的戰場就是情報之戰；而現代，數字信息徹底改變了我們的生活。

但人類無論是對信息渠道加強管理，還是對信息本身進行加密，還是解決不掉信息泄密問題。直到量子通信的提出，至少從理論上可以保證信息的絕對安全！

量子特性是量子通信安全的基石

量子通信為何有對信息加密絕對安全的自信，根本還是量子不可分割和不可克隆的特性決定的。不可分割指的是量子是構成物質的最小單位。不可克隆是因為要克隆一個粒子狀態前，要先測量狀態，但量子態十分脆弱，任何測量都會讓量子態發生改變，導致量子態無法克隆。

量子是現代物理的重要概念，來自拉丁語quantus，意為「有多少」，代表「相當數量的某物質」。在物理學中常用到量子的概念，指一個不可分割的基本個體。

量子力學最神秘的就是疊加態，著名「薛定諤的貓」理論將量子疊加態表述為「一隻貓可以同時既是死的又是活的狀態」。薛定諤本意是認為這很荒謬，用它來諷刺量子物理學，沒想到更諷刺的是，薛定諤的貓如今卻成了量子物理的代名詞。

「薛定諤的貓」理論：當把一隻貓放到一個放有毒物的盒子中，然後將盒子蓋上，過了一會問這個貓是死是活？量子物理學的答案是：它既是死的也是活的。有人會說，打開盒子看一下不就知道了，是的，打開盒子貓是死是活確實就會知道，但是按量子物理的解釋：這種死或者活著的狀態是人為觀察的結果，也就是人的宏觀干擾使得貓變成了死的或者活的了，並不是盒子蓋著時的真實狀態，同樣，微觀粒子在不被「干擾」之前就一直處於「死」和「活」兩種狀態的疊加，也可以說是它既是「0」也是「1」。

量子糾纏就是多粒子的一種疊加態，類似於孫悟空和他的分身，二者無論有多遠都可以「心有靈犀」。當兩個粒子處於糾纏態時，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，並作出反應。

量子糾纏態理論圖

理解了這些概念，可以進階到量子通信了。

量子通信有兩個方向，一個是量子隱形傳送，就是利用量子糾纏直接傳輸信息；一個是量子密鑰分發，利用量子態不可克隆來做量子密碼，給信息加密。通過隱形傳送和密鑰分發，就可以完成量子的通信過程了。

是不是腦袋都大了？那我們換個方式來理解一下……

從RSA走向量子通信的必然

當前，我們的社會已經進入到信息社會，每天會產生無數的信息，怎麼保證這些信息的安全呢？就是對這些信息進行加密。

加密時，我們把發送的信息（即原文），通過一些變化法則和重要參數，變成看起來毫無意義的亂碼（即密文）。接受信息的人，再通過相應的變化法則和重要參數，將密文還原成原文。而這些變化法則和重要參數，就是密鑰。

量子通信系統的基本模型

密鑰又分成兩種：對稱密鑰和非對稱密鑰。對稱密鑰是加密和解密過程用同一把鑰匙，非對稱密鑰用不同的鑰匙。在1976年前，人類一直使用對稱密鑰來加密信息。但由於對稱密鑰有分發、保存的麻煩，人類又發明了非對稱密鑰，又稱公開密鑰加密。

人類目前數據加密應用最廣的是RSA公鑰加密演算法，它是1977年由美國三位科學家提出。它的可靠性是基於一個數學難題：兩個質數的乘積演算法計算非常簡單，但把乘積因式分解非常困難，數越大，越難解。

RSA 加密解密過程圖解

RSA創始人之一李維斯特當年預測，按照人類當前擁有的計算能力，只有在4萬兆年之後，人類才能破解密碼。但沒想到，僅僅在17年後，來自五大洲的600多位研究人員使用了約1600台計算機，用了八個月時間就解出了這個因式分解。

這是因為RSA會隨著計算機計算能力的增強，基於計算機安全性的密碼將不再可靠。在量子科學有兩大領域，一個是量子通信，一個就是量子計算。如果人類成功研製出量子計算機，那麼基於演算法的密鑰將無密可保，因為量子計算機只需要1秒就可以破解密碼。

因為量子計算機處理的量子信息是一種疊加態，而非傳統計算機的0和1二進位。這就使得量子計算機在進行邏輯運算時，可一次得到多種甚至全部的運算結果。

為何要在發射量子衛星？

好了，說了這麼多，量子通信終於要進入應用環節了。是不是只要擁有相同兩個量子密鑰的站，將通過量子密鑰加密的信息通過網路傳遞出去就好了呢？

問題沒那麼簡單！在量子通信裡面，信號傳播的都是單個的光子，不能被放大。在大氣和光釺中傳輸，光信號會被衰減。傳輸到100多公里的時候，信號基本衰減的差不多了。

所以量子通信的距離受到很大的限制，想傳輸的更遠，就要建更多的中繼站。目前，目前傳輸最遠的是2012年，奧地利維也納大學蔡林格教授在西非群島上做的實驗，從一個到島傳輸到另一個島上去，距離143公里。

但是一旦發射量子衛星，那就不一樣了，光信號只要通過10公里左右的大氣層，信號衰減的很少，可以將通信範圍拓展到全球距離。

全球首顆量子衛星「墨子」號

在8月16號的凌晨，被命名為「墨子」的科學實驗量子衛星被發射升空。它承載著率先探索星地量子通信可能性的使命，並將首次在空間尺度驗證量子理論的真實性。

長相有點小萌……

科學家在「墨子」科學家在量子衛星上搭載了自主研發的「三種武器」：一是激光器，生成單個的光量子；二是量子糾纏源，製造出一對對糾纏狀態的量子；三是量子密鑰通信機和量子糾纏發射機，這兩個儀器相當於發射器，都是負責把光量子發射到地面實驗站。密鑰通信機是一對一，發射單個光量子到單個地面站，糾纏發射機則是一對二，把成對的糾纏光量子分別發射到兩個地面站。

「墨子號」將在衛星與地面之間展開量子密鑰分發實驗，甚至將在北京和維也納之間嘗試超遠距離的洲際量子密鑰分發。它還將嘗試與地面光纖量子通信網路鏈接，為未來覆蓋全球的天地一體化量子通信網路建立技術基礎。

此次量子衛星最難的還是如何精準地定位？從500公里開外的太空上向地面的實驗站發射光量子，這是史無前例、世界首次。

首先要把衛星上的光軸和地面實驗站的光軸對準，然後再把肉眼根本看不見的光量子從天下打下來。而這個對準精度比普通衛星的對準精度高出了十倍，堪稱針尖對麥芒。

未來，中國將構建一個由幾十顆量子衛星組成的「璀璨星群」，與地面量子通信幹線「攜手」，支撐起「天地一體」的量子通信網。

到2030年左右，中國力爭率先建成全球化的廣域量子保密通信網路。在此基礎上，構建信息充分安全的「量子互聯網」，形成完整的量子通信產業鏈和下一代國家主權信息安全生態系統。

對此，我們保持期待和祝福，期待量子通信早日走進普通人生活，祝福中國可以在量子科技時代走在世界的前列。

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