上圖 8月15日，即將發射“墨子號”的酒泉衛星發射中心天氣晴朗。杜 芳 攝

中左圖 在酒泉衛星發射中心，衛星在安裝星箭分離解鎖機構。（新華社發）

中右圖 量子科學實驗衛星出廠前進行外觀檢查。 （新華社發）

下圖 量子科學實驗衛星工程常務副總師兼衛星總指揮王建宇向記者介紹量子衛星情況。杜 芳 攝

 

8月16日，在我國酒泉衛星發射中心，隨著一片火光沖天，長征二號丁運載火箭成功將我國量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空。我國空間科學研究又向前邁進一步，成為世界上首次實現衛星和地面之間量子通信的國家。

量子衛星究竟是何方神圣？作為太空密使，它有哪些神秘技能？它的太空遠航，又會給地球人的生活帶來什么變化？8月15日至16日，《經濟日報》記者走進酒泉衛星發射中心，帶您一起揭開量子衛星的神秘面紗。

 

“小精靈”讓信息跨時空穿越

孫悟空翻筋斗云，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，帶有科幻想象，卻可以在量子世界里實現。因為在量子理論對世界的描述中，一個物體可以同時處于多個位置，粒子也可以無阻礙似地穿過障礙物。

量子究竟是何方神圣？科學家稱其為物理世界的“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就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”，而究竟為什么會這樣，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。

1997年，在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。

雖然量子的信息攜帶者光子在光纖中可以完成短距離傳播，在大氣層中卻可以傳遞幾千公里，但是超過一定的距離限度則會失去信號，因此就需要衛星來協助。

當時的青年學者潘建偉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，并在此基礎上進行廣域量子密鑰網絡實驗，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。

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。“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絡，海量信息在這個網絡間穿梭如影，全天時傳播。

 

高難度收發上演“針尖對麥芒”

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并進行解碼，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。“就相當于人坐在萬米高空的飛機上，往下連續扔硬幣，每一個都要準確丟到儲蓄罐狹小的投幣口里，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。

盡管困難重重，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。

在全球的量子通信競賽中，中國雖然并不是起步最早的，但是目前在量子通信領域已經實現“彎道超車”，并成為首個將量子科學實驗送入太空的國家。“現在意大利、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。

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范圍的全球量子通信網絡。

當然靠這一顆衛星也不一定能完成全球保密通信網絡。據介紹，在“墨子號”實現天地之間的量子通信之后，陸續會有其他量子衛星與它并肩作戰，實現全球化廣域的量子保密通信網絡。

 

量子密鑰傳輸偷不走的秘密

量子科技雖然聽起來“高大上”，可實際上很“接地氣”。在本世紀初，在人們的周圍隨處可見直接或間接運用量子理論的技術和裝置。從常見的CD唱片機到龐大的現代光纖通信系統、從無水涂料到激光制動車閘、從醫院的磁共振成像儀到隧道掃描顯微鏡……量子技術已經滲透到人們的生活中。

隨著量子信息技術逐漸走向實用化，其衍生出的量子通信技術，被譽為是繼微電子信息之后，最有可能引發軍事、經濟、社會領域又一次重大革命的關鍵技術。

以往被認為最安全的信息傳遞方式是光纖通訊。光纜能把所有的光能限制在光纖里，外面得不到能量，所以這個傳輸被認為是安全的，但隨著科技發展，只需讓光纜泄露哪怕很少一部分能量，就能夠竊聽光纜傳遞的信號。

科學家表示，這是因為經典通信的信號只有0和1，發生竊聽時，這兩種信號不會被擾動。比方說，兩人打電話時，他人可通過竊聽器從通信線路中的上千萬個電子中分出一些電子，使其進入另一根線路，從而實現竊聽，而通話者無法察覺。“棱鏡門”等事件的曝光便是最好的例證。

而量子通信則完全不會出現這個情況，這是因為其密鑰具有不可復制性和絕對安全性。一旦有人竊取密鑰，整個通信信息就會“自毀”并告知使用者。

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，由于光子不可分割，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，竊聽者無法復制信息；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。

 

量子科技改變人類生活

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。在經典計算機中，每個比特都只有0和1這兩種狀態。但在量子計算中，每個比特可以處在0和1的疊加狀態上，一旦操縱的量子數目增多，它就會以指數增長的形式來提升運算速度，有并行運算的能力。

據潘建偉介紹，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，在大數據和人工智能里，求解一個億億億變量的方程組，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、量子霍爾效應等復雜的物理機制。

神秘的量子世界令人著迷，對人們而言，量子世界的威力已變得不再陌生。“隨著量子技術的發展，未來5年，量子科技將在金融、通信等領域率先得到應用，10年后大的機構可能會參與進來，也許15年后，可以做量子加密芯片惠及大眾，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。

 

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太空密使：讓悄悄話兒悄悄說

圖文簡介

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。8月16日，在我國酒泉衛星發射中心，隨著一片火光沖天，長征二號丁運載火箭成功將我國量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空。