“墨子號(hào)”成功發(fā)射：讓量子通信時(shí)代加速到來(lái)

寧缺

通信，從生命產(chǎn)生自我意識(shí)的那一刻就開(kāi)始出現(xiàn)，是人類(lèi)文明發(fā)展過(guò)程中不可或缺的重要一環(huán)。從最開(kāi)始通過(guò)聲音、動(dòng)作甚至是眼神來(lái)傳遞信息，到古代的快馬送信、飛鴿傳書(shū)以及烽火報(bào)警、擊鼓傳令等手段，通信方式的進(jìn)步快得令人驚嘆。而如今只要一個(gè)電話(huà)，即使遠(yuǎn)在萬(wàn)里之外也能聽(tīng)到親人的聲音；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，就算隔著整個(gè)太平洋，也能夠輕松地與朋友“面對(duì)面”聊天。

有的同學(xué)可能會(huì)問(wèn)，現(xiàn)代社會(huì)的通信方式已經(jīng)如此先進(jìn)了，它還有進(jìn)步的空間嗎？答案當(dāng)然是“有”，而且科學(xué)家們?cè)缇陀辛搜芯糠较颉孔油ㄐ?，一種利用量子力學(xué)的全新通信手段。像美國(guó)、日本以及歐洲的一些發(fā)達(dá)國(guó)家，都已經(jīng)在量子通信方面取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

對(duì)于量子通信的研究，中國(guó)自然不甘人后。2016年8月16日，我國(guó)成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“量子衛(wèi)星”）“墨子號(hào)”發(fā)射升空，這標(biāo)志著中國(guó)在量子通信的道路上邁出了重要的一步。

什么叫“量子”？

物質(zhì)似乎是可以被無(wú)限細(xì)分下去的：分子、原子、原子核、質(zhì)子……但量子理論認(rèn)為，物質(zhì)和能量都存在最小的不可分割的基本單位，這個(gè)基本單位就是“量子”。舉個(gè)例子，光子就是光能量的最小單位，所以不可能存在“半個(gè)光子”。

“墨子號(hào)”織就“天地網(wǎng)”

“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星重約640千克，運(yùn)行在高度約500千米的極地軌道，設(shè)計(jì)壽命為兩年。而這顆量子衛(wèi)星之所以叫作“墨子號(hào)”，是因?yàn)槟幼钤缣岢龉饩€沿直線傳播，設(shè)計(jì)了小孔成像實(shí)驗(yàn)，奠定了光通信、量子通信的基礎(chǔ)。以中國(guó)古代偉大科學(xué)家的名字命名量子衛(wèi)星，也將提升我們的文化自信。

根據(jù)科學(xué)研究需要，我國(guó)目前已建成一個(gè)天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括位于太空的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星和一個(gè)地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)。

中國(guó)量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士介紹，如果說(shuō)地面量子通信構(gòu)建了一張連接每個(gè)城市、每個(gè)信息傳輸點(diǎn)的“網(wǎng)”，那么“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星就像一桿將這張網(wǎng)射向太空的“標(biāo)槍”。當(dāng)這張縱橫寰宇的量子通信“天地網(wǎng)”織就，海量信息將在其中來(lái)去如影，并且“無(wú)條件”安全。

量子通信的基礎(chǔ)——量子疊加和量子糾纏

量子疊加就是指一個(gè)量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。這是什么意思呢？就是說(shuō)一個(gè)粒子的量子態(tài)是同時(shí)處于多種狀態(tài)中的，打一個(gè)不是很恰當(dāng)?shù)谋确?，比如一個(gè)人身處量子世界，那他既是健康狀態(tài)，又是疾病狀態(tài)。不過(guò)，當(dāng)你觀察到這個(gè)量子態(tài)的粒子的時(shí)候，它就會(huì)表現(xiàn)出確定的狀態(tài)。這就是量子世界的神奇之處。

而關(guān)于量子糾纏，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子實(shí)驗(yàn)室的郭光燦院士曾經(jīng)用一個(gè)有趣的比方來(lái)形容這種特性。在美國(guó)的女兒生下孩子那一瞬間，遠(yuǎn)在中國(guó)的媽媽就自動(dòng)升級(jí)成外婆，即使這位媽媽自己并不知情。之所以媽媽一定會(huì)成為外婆，就是因?yàn)樗团畠褐g有一種“糾纏”關(guān)系。當(dāng)兩個(gè)微觀粒子處于糾纏態(tài)，不論分離多遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)粒子的量子態(tài)做任何改變，另一個(gè)會(huì)立刻感受到，并做出相應(yīng)改變。

量子通信其實(shí)就是利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通信方式。我們事先構(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。當(dāng)一端的人觀察到手中的粒子狀態(tài)后，立刻就能得知另一端的人手中的粒子狀態(tài)。再通過(guò)一些技術(shù)性操作，不就實(shí)現(xiàn)了某種程度上的信息傳遞了么？

APT技術(shù)功不可沒(méi)

2016年8月26日凌晨，興隆量子通信地面站成功實(shí)現(xiàn)了與“墨子號(hào)”的天地對(duì)接（天上的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息通道與地面上的通信站數(shù)據(jù)信息通道，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范轉(zhuǎn)換接通，投入運(yùn)行），并接收到850納米的通信信號(hào)，是幾個(gè)地面量子通信站中首個(gè)完成對(duì)接測(cè)試實(shí)驗(yàn)的地面站。

由于激光通信中的通信光束非常窄。為了確保接收方能夠接收到足夠強(qiáng)的信號(hào)能量，必須保證通信光束與系統(tǒng)光軸的誤差控制在誤差范圍以?xún)?nèi)，APT技術(shù)正是確保了這一高精度要求。因此，APT技術(shù)在星地激光通信中扮演著極為重要的角色。

天地對(duì)接的順利實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著量子通信通路已被打通，相信以后“墨子號(hào)”會(huì)帶給我們更多的驚喜。