“墨子”：通信安全的未來(lái)之星

王珊

全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”帶著科學(xué)家們探索星地量子通信的使命升空，它意味著，一個(gè)天地一體化的量子保密通信與科學(xué)試驗(yàn)體系開始形成。

北京時(shí)間8月16日凌晨1時(shí)40分，一道火光劃過(guò)戈壁灘黑暗的夜空。長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”送往太空。

在發(fā)射指揮中心，潘建偉激動(dòng)萬(wàn)分，作為量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的首席科學(xué)家，這一刻，他等了13年。2003年提出量子衛(wèi)星計(jì)劃時(shí)，他只有30歲出頭。他實(shí)驗(yàn)室的一位同事回憶，“潘建偉幾乎單槍匹馬地把這個(gè)項(xiàng)目推進(jìn)下去，并使中國(guó)在量子領(lǐng)域有了立足之地?！?/p>

“斯諾登事件告訴我們，在傳輸線路中可以進(jìn)行光纜的無(wú)感竊聽，黑客的攻擊無(wú)所不在;根據(jù)量子理論，該技術(shù)應(yīng)能解決通信安全的問(wèn)題?！迸私▊フf(shuō)。

全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星帶著科學(xué)家們探索星地量子通信的使命升空，它意味著，一個(gè)天地一體化的量子保密通信與科學(xué)試驗(yàn)體系開始形成。

“墨子號(hào)”宏偉計(jì)劃

首次升空的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星取名為“墨子”。

潘建偉很喜歡這個(gè)名字，覺(jué)得“很妥帖”?！爸袊?guó)人的祖先里有很多非常偉大的科學(xué)家，墨子就是其中之一。他正是通過(guò)小孔成像實(shí)驗(yàn)，證明了光是沿著直線進(jìn)行傳播的，他的發(fā)現(xiàn)奠定了光通信、量子通信的基礎(chǔ)。”潘建偉說(shuō)，衛(wèi)星取名“墨子”，也是對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)文化的一份自信與敬意。

“這是首顆有量子能力的衛(wèi)星，是朝向未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要一步?！绷孔油ㄐ艑W(xué)的世界權(quán)威、維也納大學(xué)教授蔡林格（Anton Zeilinger）也來(lái)到了酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心。他是潘建偉的老師，當(dāng)然，兩人也是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。蔡林格說(shuō)，“在量子衛(wèi)星的太空競(jìng)賽中，中國(guó)肯定是唱主角的?！?/p>

作為迄今唯一被嚴(yán)格證明為無(wú)條件安全的通信方式，量子不可分割、不可克隆的特點(diǎn)，能保證加密內(nèi)容不被破譯。這可以從根本上保障信息安全、保護(hù)全人類的隱私，直至從根本上解決國(guó)防、金融等多領(lǐng)域面臨的信息安全問(wèn)題。蔡林格說(shuō)，“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星正在順利地將量子通信提高到一個(gè)新的水平?！?/p>

20世紀(jì)90年代中期，蔡林格在奧地利建立了自己的量子實(shí)驗(yàn)室，并且需要一名學(xué)生來(lái)檢驗(yàn)一些他的關(guān)于量子的實(shí)驗(yàn)猜想。剛剛從中國(guó)科技大學(xué)研究生畢業(yè)的潘建偉是個(gè)不錯(cuò)的選擇，他渴望“像蔡林格一樣在中國(guó)建立起世界領(lǐng)先的量子實(shí)驗(yàn)室”。

這給蔡林格留下很深的印象，“我一直相信他會(huì)前程似錦，但沒(méi)想到他居然會(huì)獲得如此令人難以置信的成功，我想，這是任何人都無(wú)法預(yù)料的，我為他感到非常驕傲?！?/p>

技術(shù)驗(yàn)證只是潘建偉宏偉計(jì)劃的一部分。他希望建設(shè)一個(gè)像北斗一樣的量子星座，通過(guò)衛(wèi)星組網(wǎng)，來(lái)有效突破“地影區(qū)”的限制，從而使星載量子存儲(chǔ)、星間量子中繼、超遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)，都可以通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，這不是件容易的事情，“我希望5年內(nèi)可以解決衛(wèi)星之間通信無(wú)障礙的技術(shù)，10年內(nèi)能夠形成星座群。屆時(shí)，可以極大地改變中國(guó)在信息安全領(lǐng)域的被動(dòng)局面。”

蔡林格會(huì)加入到潘建偉的事業(yè)中來(lái)。下一步，北京將和維也納建立量子通信，中方科學(xué)家決定向全球開放載荷的相關(guān)數(shù)據(jù)，“那將是第一次全球規(guī)模的量子通信?！睘榇?，蔡林格的一位研究生，現(xiàn)在已經(jīng)開始學(xué)習(xí)漢語(yǔ)。

魔性的“小妖精”

直到發(fā)射成功的一刻，潘建偉和其團(tuán)隊(duì)所有人的心才放了下來(lái)。“我們以前做各種各樣的衛(wèi)星的時(shí)候，一般都有個(gè)參考。盡管人家不會(huì)把技術(shù)告訴你，但是至少心理上是有個(gè)預(yù)期的，因?yàn)閯e人已經(jīng)做成了。而這次，這個(gè)東西到底行不行，我們剛開始做的時(shí)候心里真沒(méi)底?！绷孔涌茖W(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總師兼總指揮王建宇經(jīng)手的衛(wèi)星研制工作已經(jīng)不計(jì)其數(shù)，但是，量子衛(wèi)星對(duì)于所有參與者都是一個(gè)從未有過(guò)的巨大挑戰(zhàn)。

潘建偉。

升天成功的量子衛(wèi)星的個(gè)頭并不大，是個(gè)邊長(zhǎng)只有1.7米左右的立方體，體重640公斤。然而，就是這么一個(gè)“小家伙”，花費(fèi)了潘建偉十多年的精力。

“如果能弄明白為什么會(huì)有量子糾纏，我立即死都愿意?！钡谝淮谓佑|到量子的概念，潘建偉便著了迷，它們仿佛是有著魔性的“小妖精”，“幾乎無(wú)法使我分心去學(xué)其他東西?！本驮谇岸螘r(shí)間，潘建偉還在一期電視節(jié)目中如此表示。

在人類科學(xué)史上，可能沒(méi)有一個(gè)學(xué)科像量子力學(xué)這樣，幾乎動(dòng)用了近代所有物理學(xué)家的智慧，其本質(zhì)仍在幽暗中閃爍，令人困惑，因而它被科學(xué)家稱為“世紀(jì)幽靈”。

不同于原子、電子、中子等物質(zhì)實(shí)體，量子只是一個(gè)能量的最小單位。換句話說(shuō)，所有的微觀粒子，包括原子、電子、光子等都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)被稱為“小妖精”一樣的東西具有一種神奇的疊加特性。比如說(shuō)，一只貓可以擁有兩個(gè)狀態(tài)，生或者死，但是不能同時(shí)處于生與死的中間狀態(tài)。而在量子世界里，不僅具有死和活兩種狀態(tài)，而且可以同時(shí)處于兩種狀態(tài)的疊加。

科學(xué)家們?cè)缦葘⑦@種疊加效用運(yùn)用到建設(shè)量子計(jì)算機(jī)中去。在量子計(jì)算中，每個(gè)比特可以處于0或1兩種狀態(tài)的疊加中，有并行運(yùn)算的能力，一旦操縱的量子數(shù)目增多，它就會(huì)以指數(shù)增長(zhǎng)的形式來(lái)提升運(yùn)算速度。比如說(shuō)，利用萬(wàn)億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解300位的大數(shù)需要15萬(wàn)年，但利用萬(wàn)億次量子計(jì)算機(jī)，只需要1秒！

量子另外一個(gè)引人注目的特點(diǎn)，即量子糾纏也開始受到科學(xué)家的關(guān)注。這是一種神奇的現(xiàn)象：如果兩個(gè)相似的量子距離足夠近，就會(huì)發(fā)生糾纏。即使把它們分開，無(wú)論多遠(yuǎn)，哪怕一個(gè)在月球，另一個(gè)在地球，這兩顆量子的狀態(tài)就好像一對(duì)有心靈感應(yīng)的雙胞胎一樣，改變其中一個(gè)量子的狀態(tài)，另一個(gè)量子的狀態(tài)就會(huì)瞬間改變。這種狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)不需經(jīng)典物理學(xué)中的力場(chǎng)或電場(chǎng)，其關(guān)聯(lián)速度也可認(rèn)為超過(guò)光速，被稱為“量子非定域性”。

1997年，潘建偉在蔡林格的實(shí)驗(yàn)室和同事們完成了一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)光子的量子隱形傳態(tài)，發(fā)現(xiàn)未知量子態(tài)可以精確地完成從A地到B地的瞬間傳輸。這一成果發(fā)表在《自然》雜志上，被認(rèn)為是量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開端，同時(shí)被美國(guó)物理學(xué)會(huì)、歐洲物理學(xué)會(huì)和《科學(xué)》雜志評(píng)為年度十大進(jìn)展。

這些神奇特點(diǎn)，加上量子不可分割、不可克隆的屬性，促使一個(gè)新興的概念開始出現(xiàn)，即極度安全的量子通信?！叭绻覀儙е粋€(gè)保險(xiǎn)箱去北京開會(huì)，而保險(xiǎn)箱的鑰匙落在合肥了，在合肥的同事可以通過(guò)量子隱形傳態(tài)，將鑰匙的每一個(gè)特征都精確傳送到北京，而在此過(guò)程中他并不掌握這把鑰匙的任何信息。這在經(jīng)典世界中是不可想象的?！迸私▊ヅe例說(shuō)。

科學(xué)家們乃至各國(guó)政府希望憑借進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信安全的夢(mèng)想。上世紀(jì)末，美國(guó)政府便將量子信息列為“保持國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力”計(jì)劃的重點(diǎn)支持課題;歐洲則早在上世紀(jì)90年代就意識(shí)到量子信息處理和通信技術(shù)的巨大潛力，認(rèn)定其高風(fēng)險(xiǎn)性和長(zhǎng)期應(yīng)用前景，從歐盟第五研發(fā)框架計(jì)劃開始，就持續(xù)對(duì)泛歐洲乃至全球的量子通信研究給予重點(diǎn)支持。

中國(guó)也不例外。2001年，潘建偉建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)光量子操縱實(shí)驗(yàn)室。而此時(shí)，他就已經(jīng)謀劃好自己的科研路線圖：通過(guò)量子通信研究，從初步實(shí)現(xiàn)局域量子通信網(wǎng)絡(luò)，到實(shí)現(xiàn)多橫多縱的全球范圍量子通信網(wǎng)絡(luò)，以保證信息傳輸?shù)慕^對(duì)安全。

因?yàn)槿蚬饫w網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，基于光纖技術(shù)的量子通道是最容易建立的。2004年，美國(guó)馬薩諸塞州劍橋城正式投入運(yùn)行了世界上第一個(gè)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)傳輸距離約為10公里。

潘建偉科研路線圖的第一步即是利用光纖在合肥建設(shè)城域間的量子信息通信試驗(yàn)示范網(wǎng)。有了這一安全保障，示范網(wǎng)用戶傳遞的信息內(nèi)容就會(huì)變得不可竊聽、復(fù)制或破譯。而且，他們研制的量子通信網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備、微光探測(cè)核心器件、網(wǎng)控設(shè)備等產(chǎn)品也需要一個(gè)試驗(yàn)床。

合肥示范網(wǎng)有46個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋合肥市主城區(qū)，用戶涵蓋省市政府機(jī)關(guān)單位、金融機(jī)構(gòu)、研究院所等。“我們需要一個(gè)具有穩(wěn)定性和安全性的更大的平臺(tái)來(lái)檢測(cè)通信，同時(shí)積累量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)?！迸私▊F(tuán)隊(duì)的成員趙勇說(shuō)。

8月16日1時(shí)40分，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。此次發(fā)射任務(wù)的圓滿成功，標(biāo)志著我國(guó)空間科學(xué)研究又邁出重要一步。

小小的示范網(wǎng)只是潘建偉謀劃的量子通信“京滬干線”的一部分。這項(xiàng)工程總長(zhǎng)2000余公里，從北京出發(fā)，經(jīng)過(guò)濟(jì)南、合肥，到達(dá)上海，提供4城市間網(wǎng)狀8Gbps加密應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

潘建偉的小組成員曾經(jīng)表示過(guò)，他們希望通過(guò)京滬干線來(lái)探索一定的商業(yè)盈利模式，從而在覆蓋全國(guó)的量子通信網(wǎng)絡(luò)建成后，促進(jìn)量子通信的產(chǎn)業(yè)化。2012年，英國(guó)《自然》雜志在報(bào)道該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)量子通信研究成果的新聞特稿中不吝贊美之詞：“這標(biāo)志著中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的崛起，從十年前不起眼的國(guó)家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美……”

然而，由于光纖的固有損耗，在光纖中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信面臨著巨大的挑戰(zhàn)。處于0或1疊加狀態(tài)的量子信號(hào)采用光纖傳輸，信號(hào)傳輸大概100公里就會(huì)被光纖吸收。即使存在超出目前技術(shù)水平的10G赫茲理想單光子源和100%探測(cè)效率的理想單光子探測(cè)器，在1000公里光纖中進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子通信，每300年只能傳輸一個(gè)比特。

在經(jīng)典通信下，這種衰減可以通過(guò)放大器件進(jìn)行放大后傳輸，只要建立好中繼站，光纖網(wǎng)絡(luò)便可以遍布全球。潘建偉等人也采取類似的方法對(duì)量子通信網(wǎng)絡(luò)每隔一段距離設(shè)置一個(gè)信號(hào)中轉(zhuǎn)站，“目前這個(gè)技術(shù)我們還在做，但是（若想以此來(lái)實(shí)現(xiàn)全球通信）10年之內(nèi)不會(huì)有太實(shí)用的價(jià)值?！?/p>

因此，要想實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的廣域量子保密通信， 太空可能是一個(gè)很好的選擇。2003年，潘建偉就提出了建設(shè)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的計(jì)劃，并希望在太空上對(duì)量子力學(xué)的預(yù)測(cè)進(jìn)行檢驗(yàn)?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，光子的信號(hào)在穿過(guò)整個(gè)大氣層之后，只有20%左右的信號(hào)會(huì)被損失掉，80%的光都可以從天上直接到達(dá)地面。從北京到上海之間傳送密鑰，按照目前的計(jì)算，做得比較好的話，做到每秒幾兆的傳輸沒(méi)有問(wèn)題。這樣就可以視頻通話、打語(yǔ)音電話?！?/p>

蔡林格研究組也一直在與歐洲空間局商討建立以國(guó)際空間站為平臺(tái)的星地量子通信計(jì)劃。不過(guò)，歐洲空間局緩慢的決策機(jī)制使得這一計(jì)劃一再順延。

雙重使命

剛剛發(fā)射成功的量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在兩年的設(shè)計(jì)壽命中，承載著科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的雙重使命。

從科學(xué)研究的角度說(shuō)，潘建偉希望通過(guò)“星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)”和“地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)”等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在大尺度的空間對(duì)量子理論進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)，即驗(yàn)證糾纏光子分開千公里的尺度后，是否依然保持糾纏特性，并在千公里的尺度上通過(guò)測(cè)量貝爾不等式，檢驗(yàn)量子力學(xué)基本原理。

從技術(shù)的角度來(lái)看，作為目前世界上唯一的星地量子信道，科學(xué)家將通過(guò)衛(wèi)星將地面站、地面光纖網(wǎng)絡(luò)及其他地面終端連接，如果運(yùn)行順利，天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)將初步成為現(xiàn)實(shí)，人們有望實(shí)現(xiàn)全球量子密鑰初步業(yè)務(wù)化運(yùn)行。

量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星通信的最大難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)天地一體化的量子聯(lián)通。這好比站在萬(wàn)米高空的飛機(jī)上往一個(gè)扁口的存錢罐里扔硬幣，而且，存錢罐也在不斷地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如果發(fā)生一點(diǎn)點(diǎn)偏差，信息的傳遞便會(huì)功虧一簣?！耙坏┱`碼率高于3.5%的底線，信息傳輸就沒(méi)有意義了。”

此外，量子衛(wèi)星采用單光子探測(cè)器對(duì)每一個(gè)光子進(jìn)行捕捉。中國(guó)利用已有的四個(gè)天文臺(tái)站接收衛(wèi)星信號(hào)，以節(jié)約成本。從量子衛(wèi)星到地面跨度為500公里，而地面站之間則相距1200公里，這也使得他們的實(shí)驗(yàn)接收站形成了國(guó)際上跨度最大的單個(gè)實(shí)驗(yàn)室。他們使用的望遠(yuǎn)鏡極其靈敏，在這樣的敏感度下，可以看到月球上點(diǎn)燃的一根火柴，或者看清木星、衛(wèi)星上的車牌號(hào)。

在太空中，量子衛(wèi)星每秒鐘大約向地面發(fā)射一億個(gè)光子，地面接收裝置按照先來(lái)后到的順序?qū)λ泄庾舆M(jìn)行接收，要想保證準(zhǔn)確率，他們必須知道每個(gè)光子發(fā)射的順序。為此，科學(xué)家們采用時(shí)間同步的方法，將發(fā)送端和接收端對(duì)應(yīng)起來(lái)?！拔覀儸F(xiàn)在的接收頻率能做到一個(gè)納秒，也就是在一秒鐘之內(nèi)，把一億個(gè)光子全都排列好?！蓖踅ㄓ钫f(shuō)。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主安東尼·萊格特（Anthony J. Leggett）認(rèn)為，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射是非常有趣的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。在衛(wèi)星發(fā)射前，他就曾表示如果量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@得成功，“它肯定會(huì)為最終的量子互聯(lián)網(wǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！?/p>

不過(guò)，對(duì)于量子互聯(lián)網(wǎng)能否成為未來(lái)全球通信潮流，他認(rèn)為，這取決于國(guó)際社會(huì)是否認(rèn)為這種系統(tǒng)的收益大于成本。“我可以想象，最初它的成本將會(huì)十分高昂?！?/p>

潘建偉則相對(duì)樂(lè)觀，在他看來(lái)，量子通信的應(yīng)用前景，就像電話的普及過(guò)程一樣，將逐步進(jìn)行，蔚為可觀。他甚至給出了一個(gè)量子通信技術(shù)普及的時(shí)間表：5年左右很多機(jī)要部門開始用，10年左右金融業(yè)、銀行等大機(jī)構(gòu)開始使用，15年的時(shí)間或許走進(jìn)千家萬(wàn)戶?！皩脮r(shí)，每個(gè)人的家里、手機(jī)上或許都會(huì)有一個(gè)量子加密芯片，那么，銀行轉(zhuǎn)款、電子賬戶等涉密操作，都不用擔(dān)心被盜用或者攻擊?！?