“墨子号”与量子通信

赖迪辉

量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元，量子理论是现代物理学的两大基石之一。虽然直到现在，物理学家关于量子力学的一些假设还不能被充分地证明，仍有很多需要研究的地方，但是这并不影响人们利用它，量子通信就是基于量子理论的一种新技术。2016年8月16日，国际上首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射，为我国引领世界量子通信技术发展、开展检验量子物理基本问题前沿研究，奠定了坚实的科学与技术基础。

总体参数

总体质量：640千克

运行轨道：太阳同步轨道（约500千米）

设计在轨运行寿命：两年

发射工具：长征2D运载火箭

配套设施：1个中心（合肥量子科学实验中心）、4个量子通信地面站（分别位于河北兴隆、新疆乌鲁木齐、青海德令哈、云南丽江）、1个量子隐形传态实验站（西藏阿里量子隐形传态实验平台）

自主研发的“四种武器”：量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验控制与处理机。

四大实验任务：星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验、地星量子隐形传态实验。

主要科研任務：

通过量子卫星实现卫星和地面的量子密钥分发，从而实现广域的量子保密通信;对量子力学本身的基本原理进行检验;证明全球规模的量子通信网络设想是可行的。

“薛定谔的猫”理论示意图

绝对安全的量子通信

量子是构成物质的基本单元，是能量的最基本携带者，不可再分割。量子世界中有两个基本原理：

1.量子叠加，就是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。著名的“薛定谔的猫”理论曾经形象地将此原理表述为“一只猫可以既是活的又是死的”。

2.量子纠缠，类似孙悟空和他的分身，二者无论距离多远都“心有灵犀”。当两个微观粒子处于纠缠态，不论它们相距多远，如果对其中一个粒子的量子态做任何改变，另一个就会立刻感受到，并做相应改变。

传统通信信号只有0和1，发生窃听时，这两种信号不会被扰动。两人打电话时，他人可通过窃听器从通信线路中的成千上万个电子中分出一些电子，使其进入另一条线路，从而实现窃听，而通话者无法察觉。量子通信则完全不会出现这个问题，这是因为其密钥具有不可复制性和绝对安全性。比如，甲乙两人进行量子通信，甲发出的量子信息状态有水平、竖直和旋转 45°等，假设有人窃听，由于量子不可分割，首先窃听者根本无法分割出“半个量子”;其次，由于单次测量测不准、不可克隆的量子态特性，因此窃听者无法复制信息;第三，一旦窃听者截获携带量子信息的粒子，乙就收不到信息，也就不存在窃听。一旦发现窃听，原有密钥立即作废。甲就可以把没有被窃听的密钥传送过去，利用产生的密钥进行一次一密、完全随机的加密。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性可以实现安全量子密钥分发，实现不可破译的保密通信，也就达到了真正意义上的“心有灵犀一点通”！

量子通信系统的问世，重新点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。得益于这种“绝对安全”，通过量子通信，人们可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。因此，量子通信被视为保障未来信息社会通信安全的重要技术基础，成为许多国家优先发展的科技和产业高地。

国内外的量子通信发展情况

20世纪90年代以来，随着相关重大基础科学问题的解决和实验技术的迅猛发展，量子信息科技已进入深化发展、快速突破的新阶段。量子通信技术已经处于系统集成、工程化和产业化攻关阶段，呈现出重大产业革命的先兆。各科技强国都在积极整合研究力量和资源，力争在量子信息技术大规模应用方面占据先机。

欧盟在2008年发布了《量子信息处理与通信战略报告》，提出了欧洲量子通信的分阶段发展目标，包括实现地面量子通信网络、星地量子通信、空地一体的千千米级量子通信网络等。日本防卫省将量子通信列为未来的技术储备。2010年，日本联合欧洲多个研究组在东京建设了东京量子密码网络，集中展示最新成果，在 90千米的现场光纤上实现了量子密钥分发和通信应用。

美国DARPA和Los Alamos国家实验室于2009年分别建成了两个多节点量子通信互联网络，与空军合作进行了基于飞机平台的自由空间量子通信研究。2014年初，美国航空航天局（NASA）正式提出了在其总部与喷气推进实验室（JPL）之间建立千千米量级量子通信干线的计划。2016年，美国发布《推动量子信息科学：国家挑战与机遇》报告和《与基础科学、量子信息科学和计算交汇的量子传感器》报告，同年，NASA用城市光纤网络实现了量子远距离传输。

加拿大、韩国、新加坡等国纷纷设立专项基金和研究中心，致力于量子通信研究：加拿大滑铁卢大学量子计算研究所成功将量子信息从地面站传输到移动的飞机上;韩国计划2020年建成国家量子通信网络;新加坡国立大学和英国思克莱德大学合作，利用5千克的卫星开展量子实验。

经过20多年的发展，我国的量子信息研究成为具有国际优势的研究领域，形成了很强的理论和实验技术储备，培育了一批优秀的研究团队，在量子通信、量子计算等研究方向上产生了一批具有重要国际影响的研究成果。

“十三五”期间，国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项瞄准我国未来信息技术和社会发展的重大需求，特别对我国有优势和引领作用的量子通信领域加强了支持力度。

在量子通信领域，我国在国际上首次实现了安全距离超过百千米的光纤量子通信和首个全通型量子通信网络，建成了首个规模化城域量子通信网络，首次将自由空间量子通信的距离突破到百千米量级。我国自主研制的量子通信装备为60周年国庆阅兵、党的“十八大”、纪念抗战胜利70周年阅兵等国家重要活动提供了信息安全保障。

2016年底，连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”全线贯通，推动了量子通信技术在国防、政务、金融等领域的应用，并带动了相关产业的发展。“墨子号”量子卫星与“京沪干线”相结合，初步构建成我国天地一体的广域量子通信基础设施，全面服务于国家信息安全。

“墨子号”名字的由来

墨子是我国古代伟大的科学家，最早提出“光线沿直线传播”的观点，设计了小孔成像实验，奠定了光通信、量子通信的基础。以他的名字命名我国的量子科学实验卫星，是为了纪念墨子的功绩，同时也可以体现我们国家的文化自信。