今天，已在距离地球500公里的轨道上服役将近1年的“墨子号”收获了全世界的目光。它“昨天”的印记留在合肥的大蜀山、北京的八达岭、百余公里的青海湖，还有海拔5100米的西藏阿里。而对于“明天”的全球量子通信星座网络来说，“墨子号”仅仅是个探路者。
量子科学实验卫星是一颗低轨卫星。2016年8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。
“墨子号”在国际上首次成功实现从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态，两项结果的科学论文10日在线发表于科学期刊《自然》杂志。
今年6月，“墨子号”首次实现千公里级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验，研究成果已发表于《科学》杂志。至此，“墨子号”圆满实现预先设定的全部三大科学目标。
三大科学目标是什么
1
量子密钥分发：无法破译的安全通信
中国科学技术大学常务副校长、“墨子号”量子卫星首席科学家潘建伟院士解释说，所谓“量子密钥分发”，是指将量子密钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，“这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的安全通信方式”。
量子通信通常采用单光子作为物理载体，最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输。但是，这两种信道的损耗都会随着距离的增加而呈指数倍增加。传统的电磁波等通讯方式是采用设立基站等方式来加强或放大信号，比如手机通讯中每隔一段距离就要设立一个基站。但由于量子态不可克隆，因此不能采取这类方法。那么，该如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信？
利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点，通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信距离。
如今，这一尝试终于成功。
据潘建伟介绍，这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础，“以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。此外，将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网，如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线等互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络”。
2
地星量子隐形传态：实现分布式量子信息处理网络的基本单元
量子隐形传态是量子通信要解决的另一个基础问题。潘建伟介绍，量子隐形传态势利用量子纠缠可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点的特点，将其携带的信息传递给对方，而不用传送物质本身。他说：“远距离量子隐形传态是实现分布式量子信息处理网络的基本单元。”
那么，是否能够在地面与卫星之间实现量子隐形传态，就成了量子通信中需要验证和解决的关键问题之一。
据潘建伟介绍，在“墨子号”实验中，量子隐形传态采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式。他说：“‘墨子号’量子卫星过境时，与海拔5100米的西藏阿里地面站建立光链路。地面光源每秒产生8000个量子隐形传态信号，地面向卫星发射纠缠光子，实验通信距离从500公里到1400公里，所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度（被测量值的可信程度）超越经典极限。”
这充分说明量子通信卫星具有实用性，是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码和量子隐形传态最有希望的途径。潘建伟说，假设在同样长度的光纤中重复这一工作，需要3800亿年才能观测到1个量子隐形传态事例。他认为，这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究，以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。
3
量子纠缠分发：“鬼魅般的超距作用”
量子纠缠是奇特的量子力学现象。通俗地说，两个（或多个）粒子共同组成的量子状态，粒子之间就像有心灵感应，无论相隔多远，一个粒子变化，其他粒子也会改变，爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。但是，如何验证量子纠缠在更远的距离上是否仍然存在？会不会受到引力等其他因素的影响？一直是科学家面对的难以逾越的难题。
由于受地球环境与光纤通信质量以及量子中继器技术进展的限制，潘建伟等中国科学家虽然从本世纪初以来多次创造量子纠缠分发的“世界纪录”，但实验水平也只停留在百公里的距离。
“解决这一问题的一个有效办法就是利用卫星向地面分发。”潘建伟指出，作为世界首颗量子科学实验卫星，“墨子号”星地纠缠分发的传输衰减仅是同样长度地面光纤衰减的万亿分之一。
在中国科学院空间科学战略性先导科技专项支持下，潘建伟、彭承志团队联合中科院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院等多家科研机构，分工合作，攻克难关，成功利用“墨子号”量子科学实验卫星平台，实现了人类在空间物理研究的重大突破。
量子通信三四问
1
量子密码的不可破译性，会不会随着量子计算机的成功发明而失效？它们之间是不是“矛”和“盾”的关系？
潘建伟：
量子计算机与量子密码之间不是“矛”与“盾”的关系，即便量子计算机获得成功也无法破译量子密码。量子计算机理论上具有超快的并行计算和模拟能力，能解决经典计算机无法解决的大规模计算问题。从密码领域看，所有以计算复杂性为基础的密码都可以被量子计算机破译。但量子通信的不可破译性是基于量子的不可克隆原理，通俗地讲，只要试图窃取量子密钥，这个密钥就已经发生改变了，因此量子计算机无法破译量子密码。
2
有观点认为，如果量子通信一被干扰就无法传输，那么即便其不可破译也无法达到信息传输的目的。您对这个问题怎么看？
潘建伟：
量子通信与传统通信方式的抗干扰能力是一样的。当然，如果一条信道被切断了，传输当然无法实现。但如果我们将来能够建成量子通信网络，这个通路断了用那个、或者多通路同时传输，就不存在这个问题了。
3
要实现量子通信全球组网，需要多少颗卫星？
王建宇（中国科学院上海技术物理研究所研究员、“墨子号”量子卫星工程常务副总师）：
这个问题无法简单回答，要取决于用户需求和卫星轨道。如果是地球同步轨道卫星，理论上讲有三颗就能覆盖全球了。
4
量子隐形传态能够实现物体的异地传输吗？就像科幻小说中写的那样，可以把人瞬间从一个地点传输到另一个地点？
潘建伟：
这是我们进行量子隐形传态科普时一个常用的比喻，很可能给大众带来了误解。这种情况是不会发生的。量子隐形传态是指利用量子纠缠的原理，将物质的未知量子态精确传送到遥远地点。也就是说，它传递的是一个的量子态，是一种信息，而不是物质本身。从目前科学发展看，瞬间传输物质实体还做不到。
四项研究继续领跑量子通信
1
将与欧洲量子通信团队合作进行洲际量子密钥分发
目前团队已顺利完成与奥地利格拉茨地面站的对接测试，正在开展量子密钥分发实验，接下来将验证是否具备洲际量子保密通话的条件。而德国和意大利等国也在积极申请，希望能够加入实验，洲际量子密钥分发合作也正在计划中。
2
将尝试量子通信与经典光通信相融合的安全信息传输
从目前情况看，全部信息都用量子卫星传输不太现实。但可以将量子通信与经典光通信相结合——信息可以通过激光通信方式加密传输，但阅读信息的密码通过量子通信传输。
3
将开展卫星组网实验，实现高效的全球量子通信
“墨子号”是低轨卫星，而且只有一颗，无法直接覆盖全球，而且只能在地影区、也就是只能在夜晚工作。中国科学技术大学研究员、量子卫星科学应用系统总师彭承志说：“‘研究团队在国际上首次成功实现地面白天远距离53公里自由空间量子密钥分发，这为未来突破地影区限制实现全球量子通信奠定了技术基础，进一步开展全天时量子通信是未来我们工作的方向之一。”
4
将开展基于纠缠的远距离量子密钥分发实验
目前的量子密钥分发有一个潜在的危险：如果卫星被敌方控制，那么量子密钥就不可信了。“但如果是基于纠缠的量子密钥分发，就不存在这个问题。不管卫星被谁控制，就接收方来说，只要纠缠还在，就说明密钥信息是安全的。”潘建伟说，如果这一目标实现，就如同两位量子密码理论的奠基人吉尔斯·布拉萨尔和奥图·厄科特所说，“将最终实现所有密码学者梦想数千年之久的圣杯”。
“墨子号”开启了全球化量子通信、空间量子物理学和量子引力实验检验的大门，为我国在国际上抢占了量子科技创新制高点，成为了国际同行的标杆，实现了“领跑者”的转变。
来源：光明日报
作者：齐芳
编辑：华夏地名
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希望本篇文章《中国成功发射全球首颗量子通信卫星，突破技术难题》能对你有所帮助！
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