無(wú)懈可擊 滴水不漏墨子號(hào)引領(lǐng)星地量子通信

□ 杭添仁

無(wú)懈可擊 滴水不漏墨子號(hào)引領(lǐng)星地量子通信

□ 杭添仁

2016年8月16日，我國(guó)墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星順利升空。8月17日，中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站密云站成功跟蹤、接收到量子衛(wèi)星墨子號(hào)首軌數(shù)據(jù)，并將所接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至中科院國(guó)家空間科學(xué)中心。經(jīng)驗(yàn)證，衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。如果此后衛(wèi)星在軌成功完成預(yù)定任務(wù)，我國(guó)將成為世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間量子通信的國(guó)家，并結(jié)合地面已有的光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建一個(gè)廣域量子通信體系，在世界上率先實(shí)現(xiàn)廣域量子保密通信。

2016年8月16日，中國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱“量子衛(wèi)星”）發(fā)射升空。

奇妙特性

隨著通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，通信安全與保密的重要性已引發(fā)各國(guó)政府以及廣大公眾的普遍關(guān)注。就目前和可以預(yù)見的將來(lái)來(lái)看，量子通信被公認(rèn)是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明能“無(wú)條件安全”的通信方式，從根本上永久性解決國(guó)防、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域的通信安全問(wèn)題。

那么，什么是量子呢？嚴(yán)格地講，量子不是一種粒子，它是一個(gè)能量的最小單位。以光為例，一個(gè)光量子的能量就是光能量變化的最小單位，光的能量是以光量子的能量為單位一份一份地變化的。其他的粒子情況也是類似的。

超鏈接：幽靈般的超距作用

量子糾纏是關(guān)于量子力學(xué)理論最著名的預(yù)測(cè)。它描述了兩個(gè)粒子互相糾纏，即使相距遙遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的行為將會(huì)影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)。當(dāng)其中一顆被操作（例如量子測(cè)量）而狀態(tài)發(fā)生變化，另一顆也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。

大量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，量子有兩大“特異功能”：

一是叫量子疊加，即所謂“分身術(shù)”。它是指一個(gè)量子可以像孫悟空一樣同時(shí)存在多種狀態(tài)，只有在被觀測(cè)或測(cè)量時(shí)，才會(huì)隨機(jī)地呈現(xiàn)出某種確定的狀態(tài)，因此，對(duì)物質(zhì)的測(cè)量意味著擾動(dòng)，會(huì)改變被測(cè)量物質(zhì)的狀態(tài)。在量子世界里，不僅有0和1的狀態(tài)，某些時(shí)候像原子、分子、光子等可以同時(shí)處于0和1狀態(tài)相干的疊加。比如光量子的偏振狀態(tài)，在真空中傳遞的時(shí)候，可以沿水平方向振動(dòng)，可以沿豎直方向振動(dòng)，也可以處于45°斜振動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象正是水平和豎直偏振兩個(gè)狀態(tài)的相干疊加。用這一功能可以完成量子保密通信等。

二是叫量子糾纏，即所謂“遠(yuǎn)程心靈感應(yīng)”。它是指如果兩個(gè)相似的量子距離足夠近，就會(huì)發(fā)生糾纏，隨后把它們分開無(wú)論多遠(yuǎn)，這兩個(gè)量子的狀態(tài)就像一對(duì)有心靈感應(yīng)的雙胞胎一樣：一個(gè)開心，另一個(gè)也會(huì)笑；一個(gè)哭了，另一個(gè)一定也難過(guò)。用這一功能可以完成量子隱形傳態(tài)等，即將甲地某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來(lái)。當(dāng)隱形傳輸?shù)牧孔討B(tài)是一個(gè)糾纏態(tài)的一部分時(shí)，隱形傳輸就變成了量子糾纏交換。利用糾纏交換，可以將兩個(gè)原本毫無(wú)聯(lián)系的粒子糾纏起來(lái)，在它們之間建立量子關(guān)聯(lián)。這一功能很詭異，其原因目前還搞不清楚。

此外，量子還有兩個(gè)重要特性：不可分割、不可精確復(fù)制。利用量子這兩個(gè)特性可以制作出最安全的密鑰，讓信息傳輸變得更安全。

量子通信是利用量子疊加和量子糾纏這兩大“特異功能”，以及量子不可分割、不可精確復(fù)制這兩個(gè)重要特性進(jìn)行信息傳遞的新型通信方式，即把量子比特作為信息載體來(lái)傳輸信息。從廣義地說(shuō)，量子通信包括量子隱形傳態(tài)、量子保密通信、量子密集編碼等。但由于其中的量子保密通信是目前最接近實(shí)用化的量子信息技術(shù)，因此，通常提到的量子通信一般是指量子保密通信，即狹義上的量子密鑰通信，它是通過(guò)量子信道實(shí)現(xiàn)密鑰的高保密傳遞，密文本身仍然通過(guò)經(jīng)典信道傳送。

不用量子通信的方式傳遞全部經(jīng)典信息的原因是：在目前和可以預(yù)見的未來(lái)，這樣做的成本都太昂貴，并且可能反而效率低下、不夠安全。因此，目前只利用量子通信來(lái)產(chǎn)生密鑰，以便提高效率。只采用量子密鑰分配還有一個(gè)好處——不需要大面積地改造現(xiàn)有的通信設(shè)備和線路。

超鏈接：墨子號(hào)日歷

2009年12月，空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)參加戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)實(shí)施方案評(píng)議會(huì)，并在16個(gè)建議專項(xiàng)中名列前三名。

2011年12月23日，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程啟動(dòng)暨動(dòng)員會(huì)在京召開，標(biāo)志著量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星正式進(jìn)入工程研制階段。

2014年12月30日，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星通過(guò)初樣轉(zhuǎn)正樣階段評(píng)審，正式轉(zhuǎn)入正樣研制階段。

2015年12月6日，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)與科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)完成星地光學(xué)對(duì)接試驗(yàn)，驗(yàn)證了天地一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠滿足科學(xué)目標(biāo)的指標(biāo)要求。

2016年2月25日，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程完成大系統(tǒng)聯(lián)試。

2016年8月16日凌晨1時(shí)40分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星墨子號(hào)發(fā)射升空。

2016年8月17日11時(shí)56分24秒，中科院遙感與數(shù)字地球研究所所屬中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站密云站在第23圈次成功跟蹤、接收到我國(guó)首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星墨子號(hào)首軌數(shù)據(jù)。

2016年9月1日，中國(guó)科學(xué)院院士、量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉透露，墨子號(hào)在完成前期基礎(chǔ)測(cè)試后，將于9月15日左右開展相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，以完成事先預(yù)定的科學(xué)目標(biāo)。

墨子號(hào)發(fā)射以后，如果效果達(dá)到預(yù)期，下一步還計(jì)劃發(fā)射墨子二號(hào)、墨子三號(hào)。

2030年左右，中國(guó)力爭(zhēng)率先建成全球化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建信息充分安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，形成完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈和下一代國(guó)家主權(quán)信息安全生態(tài)系統(tǒng)。

未來(lái)，一個(gè)由幾十顆量子衛(wèi)星組成的“璀璨星群”，將與地面量子通信干線“攜手”，支撐起“天地一體”的量子通信網(wǎng)。

2016年8月17日11時(shí)56分24秒，墨子號(hào)成功實(shí)現(xiàn)“天地握手”。圖中紅光為興隆基地發(fā)射的，波長(zhǎng)為671納米，從地到天；綠光為墨子號(hào)量子衛(wèi)星發(fā)射的，波長(zhǎng)為532納米，從天到地，彼此都能對(duì)準(zhǔn)對(duì)方，以便之后的數(shù)據(jù)傳輸。這里的紅、綠光并非用來(lái)做量子通信的光，是在進(jìn)行量子通信前科學(xué)家用來(lái)在衛(wèi)星和地面站之間建立物理聯(lián)系的信標(biāo)光。

防竊絕招

量子保密通信就是將量子密鑰應(yīng)用于（量子）通信中。所以，在量子通信過(guò)程中，其關(guān)鍵要素就是量子密鑰。它是用具有量子態(tài)的物質(zhì)作為密碼，即發(fā)送方和接收方采用單個(gè)光量子的狀態(tài)作為信息載體來(lái)建立密鑰。

由于量子具有疊加性，可同時(shí)表示0和1，處于疊加態(tài)的量子比特能以量子糾纏的現(xiàn)象相互聯(lián)系，即一個(gè)量子比特的行為能瞬間影響到另一個(gè)量子比特。這樣的特性意味著竊聽者不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)未知量子比特的精確復(fù)制。因?yàn)橐坏┬畔⒈蝗藪冻?，量子?huì)自動(dòng)發(fā)生變化，接收者也因此能察覺(jué)，而偷窺者也看不到原貌。

換句話說(shuō)，量子通信是將信息編碼加載到單個(gè)光量子疊加態(tài)的偏振方向上。在量子保密通信過(guò)程中，發(fā)送方和接收方都采用單個(gè)光量子的狀態(tài)作為信息載體來(lái)建立密鑰。由于單個(gè)光量子是光能量的最小組成單元，不能被再分割，所以在單個(gè)光量子發(fā)射的情況下，竊聽者無(wú)法將單個(gè)光量子分割成兩部分，讓其中一部分繼續(xù)傳送，而對(duì)另一部分進(jìn)行狀態(tài)測(cè)量以獲取密鑰信息。又由于光量子不可被精確地復(fù)制，所以竊聽者無(wú)論是對(duì)單個(gè)光量子狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量或是試圖復(fù)制之后再測(cè)量，都會(huì)對(duì)光量子的狀態(tài)產(chǎn)生擾動(dòng)，從而使竊聽行為暴露。

傳統(tǒng)通信信號(hào)只有0和1，發(fā)生竊聽時(shí)這兩種信號(hào)不會(huì)被擾動(dòng)。量子通信則完全不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，這是因?yàn)榱孔有盘?hào)有0、1、0+1、0-1等量子疊加態(tài)，而且這種疊加態(tài)不可復(fù)制，若要對(duì)單個(gè)光量子的狀態(tài)進(jìn)行復(fù)制，就要首先對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，但量子相干疊加決定了測(cè)量會(huì)對(duì)單個(gè)光量子的狀態(tài)產(chǎn)生擾動(dòng)，因此無(wú)法獲得其狀態(tài)的精確信息。量子信號(hào)一旦被竊聽，量子疊加態(tài)就會(huì)受到擾動(dòng)，有可能“塌縮”成另一個(gè)量子態(tài)。這樣一來(lái)，通信雙方能立即察覺(jué)并規(guī)避。

簡(jiǎn)言之，量子通信絕不會(huì)泄密，其一體現(xiàn)在量子加密的密鑰是隨機(jī)的，即使被竊取者截獲，也無(wú)法得到正確的密鑰，因此無(wú)法破解信息；其二，分別在通信雙方手中具有糾纏態(tài)的2個(gè)粒子，其中1個(gè)粒子的量子態(tài)發(fā)生變化，另1個(gè)粒子的量子態(tài)就會(huì)隨之立刻變化，根據(jù)量子理論，宏觀的任何觀察和干擾，都會(huì)立刻改變量子態(tài)，引起其坍塌，因此竊取者由于干擾而得到的信息已經(jīng)破壞，并非原有信息。

量子隱形傳態(tài)主要基于量子糾纏態(tài)的理論，需要傳輸?shù)牧孔討B(tài)信息如同科幻中描繪的超時(shí)空穿越，即具有糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，只要一個(gè)發(fā)生變化，不需要任何載體攜帶，另外一個(gè)也會(huì)瞬間發(fā)生變化。在實(shí)驗(yàn)中，量子通信的接收處有一種特殊晶體，相當(dāng)于一個(gè)記憶庫(kù)，用來(lái)儲(chǔ)存它的糾纏態(tài)光量子，并充當(dāng)量子態(tài)的接收器。科學(xué)家已經(jīng)在地球上成功做了以下實(shí)驗(yàn)，將兩個(gè)糾纏光量子分開數(shù)千米，在數(shù)納秒的間隔內(nèi)測(cè)量它們的自旋。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果測(cè)量發(fā)現(xiàn)它們其中一個(gè)自旋是+1，知曉另一個(gè)是-1的速度至少比以光速進(jìn)行通信快10000倍。創(chuàng)造兩個(gè)互相糾纏的光量子以后，哪怕將它們分開很遠(yuǎn)，也可以通過(guò)測(cè)量其中一個(gè)的狀態(tài)來(lái)得知關(guān)于另一個(gè)的信息。所以，可以利用量子糾纏的特性實(shí)現(xiàn)與遙遠(yuǎn)恒星系統(tǒng)的通信。

具體來(lái)說(shuō)，量子隱形傳態(tài)的過(guò)程是這樣的：事先構(gòu)建一對(duì)具有糾纏態(tài)的粒子，將兩個(gè)粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態(tài)的粒子與發(fā)送方的粒子進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，則接收方的粒子瞬間變化為某種狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)與發(fā)送方的粒子變化后的狀態(tài)是對(duì)稱的，然后將聯(lián)合測(cè)量的信息通過(guò)經(jīng)典信道傳送給接收方，接收方根據(jù)接收到的信息對(duì)變化的粒子進(jìn)行幺正變換（相當(dāng)于逆轉(zhuǎn)變換），即可得到與發(fā)送方完全相同的未知量子態(tài)。

為了進(jìn)行遠(yuǎn)距離的量子隱形傳態(tài)，往往需要事先讓相距遙遠(yuǎn)的兩地共同擁有最大量子糾纏態(tài)。但是，由于存在各種不可避免的環(huán)境噪聲，量子糾纏態(tài)的品質(zhì)會(huì)隨著傳送距離的增加而變得越來(lái)越差。因此，如何提純高品質(zhì)的量子糾纏態(tài)是量子通信研究中的重要課題。20多年來(lái)，潘建偉等中國(guó)科學(xué)家在自由空間量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)方面不斷取得國(guó)際領(lǐng)先的突破性成果，已從實(shí)現(xiàn)對(duì)單光量子的精確操縱到實(shí)現(xiàn)4光量子（2003年）、5光量子（2004年）、6光量子（2007年）、8光量子糾纏（2012年）……為基于衛(wèi)星的廣域量子通信和量子力學(xué)基礎(chǔ)原理檢驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師朱振才介紹量子衛(wèi)星上的量子糾纏源，這是衛(wèi)星上最重要的單機(jī)之一，主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生糾纏光子。

優(yōu)點(diǎn)多多

量子通信可以真正實(shí)現(xiàn)密碼無(wú)法破譯。它采用的是“一次一密”的工作機(jī)制，兩人通話期間，密碼機(jī)每分每秒都在產(chǎn)生密碼，牢牢“鎖”住語(yǔ)音信息；一旦通話結(jié)束，這串密碼就會(huì)立即失效，下一次通話絕對(duì)不會(huì)重復(fù)使用，而且量子通信所提供的密鑰無(wú)法被破解。

另外，量子通信可實(shí)現(xiàn)超光速通信。研究發(fā)現(xiàn)，即使將兩個(gè)糾纏態(tài)亞原子粒子分隔到宇宙距離，它們之間的通信也幾乎是即刻的。與傳統(tǒng)光速通信相比，量子通信的線路時(shí)延為零，量子信息傳遞的過(guò)程不會(huì)為任何障礙所阻隔，所以完全環(huán)保，不存在任何電磁輻射污染。其原因是：被傳輸?shù)奈粗孔討B(tài)在被測(cè)量之前會(huì)處于糾纏態(tài)，即同時(shí)代表多個(gè)狀態(tài)，例如一個(gè)量子態(tài)可以同時(shí)表示0和1兩個(gè)數(shù)字，7個(gè)這樣的量子態(tài)就可以同時(shí)表示128個(gè)狀態(tài)或128個(gè)數(shù)字：0～127。光量子通信的這樣一次傳輸，就相當(dāng)于經(jīng)典通信方式的128次。可以想象如果傳輸帶寬是64位或者更高，那么效率之差將是驚人的。這種基于量子糾纏的量子隱形傳態(tài)傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息。其攜載的信息量很大，使一般的光纖網(wǎng)絡(luò)和普通衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)只能望塵莫及，3G、4G甚至5G、6G網(wǎng)絡(luò)也無(wú)法媲美。

超鏈接：奇異的量子糾纏

量子糾纏具有一種奇特的性質(zhì)叫作非局域性，即相距很遠(yuǎn)的一對(duì)糾纏粒子，當(dāng)對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量時(shí)， 另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)瞬間坍縮。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授李傳鋒研究組已首次研制出非局域量子模擬器并模擬宇稱—時(shí)間世界中的超光速現(xiàn)象，即讓糾纏光量子對(duì)中的一個(gè)光量子在進(jìn)行宇稱—時(shí)間對(duì)稱演化時(shí)，使信息以超過(guò)1.9倍的光速?gòu)囊粋€(gè)實(shí)驗(yàn)室傳輸?shù)搅硪粋€(gè)實(shí)驗(yàn)室。這一研究成果于2016年8月8日在線發(fā)表于《自然—光子學(xué)》。

這兩個(gè)量子骰子是互相糾纏的，當(dāng)你把其中一個(gè)擲出六點(diǎn)時(shí)，另一個(gè)也必定是六點(diǎn)。

量子通信也是超時(shí)空穿越的遠(yuǎn)距離通信。它屬于隱形傳輸技術(shù)，與人類歷史上此前已有的通信技術(shù)有著本質(zhì)的差異?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，量子隱形傳態(tài)過(guò)程中穿越大氣層的可能性，為未來(lái)基于衛(wèi)星量子中繼的全球化量子通信網(wǎng)奠定了可靠基礎(chǔ)。量子隱形傳態(tài)如同科幻小說(shuō)中描繪的超時(shí)空穿越，量子在一個(gè)地方神秘消失，又在另一個(gè)地方瞬間出現(xiàn)。

量子通信還具有超高信道容量。信道容量是指信道在噪聲環(huán)境下有效傳輸信息的能力，是通信領(lǐng)域最基本的問(wèn)題。量子信道不僅可以傳輸經(jīng)典信息，也能傳輸私密信息和量子信息，每種情況對(duì)應(yīng)一個(gè)信道容量。

總之，與成熟的傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，量子通信具有以下主要特點(diǎn)：

一是保密性強(qiáng)。二是隱蔽性高，量子通信是一種完全無(wú)“電磁”的通信技術(shù)，現(xiàn)有的無(wú)線電探測(cè)系統(tǒng)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行探測(cè)。三是應(yīng)用性廣，量子既可在太空中進(jìn)行通信，又可以在海底等惡劣條件下通信，還可以在光纖等介質(zhì)中進(jìn)行信息“傳遞”，可以應(yīng)用到各種應(yīng)用場(chǎng)景。四是時(shí)效性高，由于量子通信時(shí)延為零，能極大地提高通信速度。

由此可見，量子通信技術(shù)具有眾多卓越的性能。以前對(duì)于這方面的研究更多是實(shí)驗(yàn)室階段或者有也是軍事方面的一些應(yīng)用。但是隨著近幾年物聯(lián)網(wǎng)的興起與發(fā)展，對(duì)于通信的安全性方面有了更多的要求，因此物聯(lián)網(wǎng)量子通信技術(shù)便得到了更多的重視。事實(shí)上無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是海外，量子通信技術(shù)都已經(jīng)開始由實(shí)驗(yàn)室走向人們的日常生活。

魅力星光

雖然在光纖中可以實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，但由于光量子易被光纖吸收，存在固有的光量子損耗，與環(huán)境的耦合也會(huì)使量子糾纏品質(zhì)下降，導(dǎo)致信號(hào)在光纖傳送的過(guò)程中越來(lái)越弱，因此僅僅利用光纖難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信。另外，近地面自由空間通道會(huì)受地面障礙物、地表曲率、氣象條件的影響，光量子傳輸難以在地面自由空間中向遠(yuǎn)距離拓展。

解決這個(gè)問(wèn)題有兩種可行的途徑：一種是利用所謂的量子中繼，即把相距較遠(yuǎn)的通信線路分為數(shù)段，每一段的損耗因此較小，然后在量子中繼的幫助下，把光子攜帶的信息一段段如同接力賽一樣向前傳遞。另一種是自由空間單個(gè)光量子傳輸，這是由于大氣對(duì)某些波長(zhǎng)的光的吸收有限，到了外層空間則幾乎沒(méi)有光損耗，因此可以突破大氣層通過(guò)衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)千千米甚至是全球化的量子通信。

所以，量子衛(wèi)星通信是遠(yuǎn)距離光量子傳輸?shù)谋赜芍?，它能克服地表曲率、沒(méi)有障礙物的阻礙；光量子在光纖中的損耗遠(yuǎn)高于自由空間的損耗，大氣對(duì)光量子的吸收和散射遠(yuǎn)小于光纖，并能保持光量子極化糾纏品質(zhì)。另外，受到地面條件的限制，很多地方無(wú)法鋪設(shè)量子通信的專用光纖。因此想建設(shè)覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)，必需依賴多顆量子通信衛(wèi)星。

發(fā)展量子保密通信技術(shù)的終極目標(biāo)是構(gòu)建廣域乃至全球范圍的絕對(duì)安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)?？赏ㄟ^(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)連接一個(gè)中等城市內(nèi)部的通信節(jié)點(diǎn)；通過(guò)量子中繼技術(shù)實(shí)現(xiàn)鄰近兩個(gè)城市之間的連接；通過(guò)量子衛(wèi)星與地面站之間的自由空間光量子傳輸和衛(wèi)星平臺(tái)的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的連接。這些是目前條件下實(shí)現(xiàn)全球廣域量子通信最理想的途徑。

2012年，潘建偉等人在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)百千米量級(jí)的自由空間量子隱形傳輸和糾纏分發(fā)，為我國(guó)發(fā)射全球首顆量子通信衛(wèi)星奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

我國(guó)墨子號(hào)的科學(xué)目標(biāo)是進(jìn)行星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，以期在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破；在空間尺度進(jìn)行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。

墨子使命

墨子號(hào)擬開展基于衛(wèi)星平臺(tái)的廣域量子通信和量子力學(xué)基礎(chǔ)原理檢驗(yàn)。該項(xiàng)目借助衛(wèi)星平臺(tái)，尋求量子理論在宏觀大尺度上的應(yīng)用，使量子信息技術(shù)的應(yīng)用突破距離的限制，促進(jìn)廣域乃至全球范圍量子通信的最終實(shí)現(xiàn)；能在更深層次上認(rèn)識(shí)量子物理的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，拓寬量子力學(xué)的研究方向，對(duì)于量子理論乃至整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展有著至關(guān)重要的意義。

該衛(wèi)星質(zhì)量約640千克，由長(zhǎng)征-2D運(yùn)載火箭發(fā)射，運(yùn)行于500千米太陽(yáng)同步軌道，軌道傾角為97.37°，設(shè)計(jì)在軌運(yùn)行壽命2年。科學(xué)家們?cè)诘孛嫔弦言谙嗑?00千米的距離成功進(jìn)行了量子糾纏實(shí)驗(yàn)，而墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首次把這個(gè)實(shí)驗(yàn)帶到外層空間，實(shí)現(xiàn)空間大尺度的量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，推進(jìn)了人類對(duì)大尺度范圍量子力學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，并帶動(dòng)我國(guó)量子物理整體水平大幅提升。

墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工作示意圖。量子密鑰分發(fā)較簡(jiǎn)單，就是相當(dāng)于我在衛(wèi)星上，你在地面，我就給你發(fā)一連串的單個(gè)光量子下來(lái)，發(fā)到你手中，你就能把信號(hào)給解碼出來(lái)，這個(gè)任務(wù)就完成了。此后，4個(gè)光學(xué)地面站可以來(lái)接收衛(wèi)星下來(lái)的信號(hào)進(jìn)行量子通信，那么在衛(wèi)星的幫助之下，這4個(gè)地面站任何兩兩之間的地面站都可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)安全的通信。

整個(gè)項(xiàng)目分為衛(wèi)星和地面兩大部分。在地面，項(xiàng)目已經(jīng)完成了一系列關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試；在衛(wèi)星部分，發(fā)射后將完成三大任務(wù)：衛(wèi)星和地面絕對(duì)安全量子密鑰分發(fā)、驗(yàn)證空間貝爾不等式和實(shí)現(xiàn)地面與衛(wèi)星之間量子隱形傳態(tài)。這些實(shí)驗(yàn)通過(guò)我國(guó)自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備完成，它能夠產(chǎn)生經(jīng)過(guò)編碼的、甚至是糾纏的光子并發(fā)射到地面上，與之對(duì)接的地面系統(tǒng)則負(fù)責(zé)“接收光子”，這種被稱為“針尖對(duì)麥芒”的光子的發(fā)射和接收需要超高精度的瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤。

四大實(shí)驗(yàn)

墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星包括衛(wèi)星平臺(tái)和科學(xué)有效載荷兩部分，采用衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷一體化設(shè)計(jì)，所以體積不大。科學(xué)有效載荷包括4個(gè)：量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源及量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)。

在量子保密通信上?？偪刂行膬?nèi)，潘建偉院士演示實(shí)用化量子通信產(chǎn)品進(jìn)行遠(yuǎn)距離保密通話。

墨子號(hào)通過(guò)這4個(gè)科學(xué)載荷，在廣域范圍開展量子密鑰分發(fā)、廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)、量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)4項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。其目的是在高精度捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的輔助下，在實(shí)現(xiàn)地面與衛(wèi)星之間建立超遠(yuǎn)距離的量子信道的基礎(chǔ)上，進(jìn)行衛(wèi)星與地面之間、基于誘騙態(tài)和基于糾纏的量子密鑰生成和分發(fā)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間以量子密鑰為核心的絕對(duì)安全的保密通信實(shí)驗(yàn)，從而為建立全球范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)打下技術(shù)基礎(chǔ)。

量子密鑰通信機(jī)：

主要功能是量子密鑰產(chǎn)生發(fā)射、糾纏發(fā)射、量子光接收探測(cè)、信標(biāo)光及同步光發(fā)射和捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)（ATP）等。

量子糾纏發(fā)射機(jī)：

主要功能是量子糾纏發(fā)射、量子密鑰產(chǎn)生發(fā)射、信標(biāo)光及同步光發(fā)射和大范圍捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)。

量子糾纏源：

是星上糾纏光量子對(duì)的產(chǎn)生源頭，也是糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)核心。

量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)：

主要功能是實(shí)現(xiàn)密鑰分配實(shí)驗(yàn)的密鑰基矢比對(duì)、密鑰糾錯(cuò)和私密放大，最后提取最終密鑰，此外實(shí)現(xiàn)糾纏試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析處理。

廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。這一實(shí)驗(yàn)將在實(shí)現(xiàn)高速星地量子密鑰分發(fā)的基礎(chǔ)上，與兩個(gè)光學(xué)地面站及其附屬的兩個(gè)局域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的方式組建真正意義的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)與系統(tǒng)配置對(duì)應(yīng)表

星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。衛(wèi)星上的量子糾纏光源同時(shí)向2個(gè)地面站分發(fā)糾纏光量子，在完成量子糾纏分發(fā)后，對(duì)糾纏光量子同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的量子測(cè)量，通過(guò)對(duì)千千米量級(jí)量子糾纏態(tài)的觀測(cè)，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。

地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)是在量子存儲(chǔ)的幫助下，探索衛(wèi)星與地面之間遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)的可行性，研究爭(zhēng)取在類空間條件下完成量子力學(xué)非定域性的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。

應(yīng)用系統(tǒng)

科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)由1個(gè)中心（科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心）、2套網(wǎng)（廣域量子密鑰應(yīng)用平臺(tái)）和5個(gè)站（4個(gè)量子通信地面站、1個(gè)空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站）3部分組成。

烏魯木齊南山站和青海德令哈站依托現(xiàn)有天文臺(tái)新建量子通信地面站和兩臺(tái)口徑1.2米的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；北京興隆和云南天文臺(tái)依托現(xiàn)有的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行改造，建成量子通信地面站。

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡主要用于對(duì)星上量子光、信標(biāo)光和同步光的接收，其包含的粗精跟蹤單元能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的精確指向和跟蹤，同時(shí)旁軸發(fā)射信標(biāo)光，用于衛(wèi)星載荷對(duì)地面站跟蹤。

據(jù)悉，按照規(guī)劃，我國(guó)在2016年發(fā)射首顆量子通信衛(wèi)星，建設(shè)以4個(gè)量子通信地面站和1個(gè)空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站為核心的空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，還將發(fā)射更多衛(wèi)星。到2020年，我國(guó)量子通信市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)210億元。隨著量子通信在各領(lǐng)域的不斷滲透，預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)量子加密潛在市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到500億～1000億元。到2020年還要實(shí)現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)，屆時(shí)連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網(wǎng)也將建成。到2030年左右，我國(guó)將建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

另?yè)?jù)有關(guān)專家在雜志撰文介紹，在2016年9月中旬我國(guó)發(fā)射的天宮-2空間實(shí)驗(yàn)室，將開展空-地量子密鑰分配與激光通信實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用對(duì)光量子進(jìn)行偏振態(tài)調(diào)制生成密鑰，進(jìn)行空對(duì)地傳輸、地面接收并解調(diào)提取信息。該方法經(jīng)理論證明用于密鑰分配是不可破譯的。在我國(guó)未來(lái)的空間站上，也將裝有量子和光傳輸研究設(shè)施。它用于開展量子科學(xué)研究，包括基于量子存儲(chǔ)的量子隱形傳態(tài)和量子中繼、自由意志參與下的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)，開展空—地、空—空高亮度高保真糾纏量子分發(fā)和不同技術(shù)體制的高速激光通信實(shí)驗(yàn)研究，空—地傳輸距離大于1000千米，空—空傳輸距離大于45000千米，為開展實(shí)際應(yīng)用的量子和激光通信技術(shù)進(jìn)行示范演示。

（責(zé)任編輯 張恩紅）

墨子號(hào)科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)地理分布圖