“墨子号”量子卫星独步全球

2016年8月16日，我国成功发射了世界首颗量子科学实验卫星，展现了我国空间研究取得突破性进展，标志着中国将在世界上率先实践卫星与地面之间的量子通信。量子通信是目前人类已知唯一无法破解的最安全的通信方式。

量子通信，安全“大卫士”

说起量子卫星，就得先讲讲什么是量子。对一般人来说，“量子”一词似乎有点深奥，难以理解。实际上，量子是组成物质的基本单元，是能量不能再分割的最小单位。如，量子是光能量的最小单位，不存在“半个光子”。

量子通信的安全性，就是基于单个光子的不可分割性和量子态的不可复制性，从而保证了信息不被窃听和不可破解的安全性。

量子通信绝对安全，还因为量子有两个基本特性，即量子的叠加和量子纠缠。量子叠加，是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。也就是说，任何一个干扰包括光照都会使量子改变状态，即它刚才还在随机蹦Q，忽然就停止不动了，变幻莫测。

著名的“薛定谔虐猫”理论就形象描述了这一现象：装在盒子里的猫，在盒子没打开时，猫可以同时既是活的又是死的，只有打开看才知道。这表明，量子状态随机变化，两种状态可叠加存在，这就是量子的叠加态;量子纠缠，是指量子间具有像孙悟空和其分身那样“心有灵犀”的功能，两个量子无论相隔多远，若对其中一个量子态做任何改变，另一个会立刻感受到，并做相应的状态改变，这就为远距离同步传递不被破解的信息提供了可能性。

欧洲、美国、日本等国的科学家很早就对量子通信进行研究实验，但由于种种原因而成效甚微。我国研究量子通信虽然起步较晚，于2011年才启动量子卫星研制计划，然而在党和国家极其重视和大力支持下，一举获得开创性的突破，成功地发射了“墨子号”量子卫星，成为这一科技领域的领路者。

“墨子号”开创安全通信新时代

“墨子号”量子卫星发射后，将实验远距离传输不可破解信息的方式，即卫星升空后，其主要任务是建立一个量子密钥分发网络，并在太空中首次进行量子纠缠分发实验，从而展现一种让用户免受最精明的窃听者伤害的安全网络，开创安全通信的新时代。

潘建伟院士是研制“墨子号”量子卫星的领军人物。20世纪80年代初，法国科学家阿兰・阿斯佩首次用实验证实了“量子纠缠”现象存在后，潘建伟于20世纪90年代赴量子力学创始人薛定谔的祖国奥地利留学，学习最先进、最完整的量子科学知识，奠定了其在量子科学方面的基础。潘建伟学成回国后，很快就投入到量子通信方面的研究实验。

2003年，潘建伟研究小组正式成立，主攻自由空间量子通信方面的研究。他们在实验点制备出成对的纠缠光子，再利用专门设计加工的发射望远镜将容易发散的细小光束“增肥”后，向东西相距13千米的两个实验站发送。然后，实验站的接收端用同样型号的望远镜收集。实验人员发现，在如此远距离的传送中，竟有许多纠缠光子“夫妻对”仍能保持相互纠缠状态，其携带信息的数量和质量完全能满足基于卫星的全球化量子通信的要求。

在国家的大力支持下，量子卫星研制团队经过精心研究实验，终于在2016年8月16日将我国研制的世界首颗量子卫星成功发射。这次发射不仅使我国走到世界量子通信研究领域的最前沿，更重要的是，它使我们在获得网络安全“圣杯”（即令黑客无法渗透的数字通信系统）方面大大领先于全球竞争对手。

全球的量子通信网络，起步

首颗量子卫星上天，我国在国际上将率先实现高速星地量子通信，借助连接地面光纤量子通信网络，初步构成全球量子通信网络。

据潘建伟院士透露，京沪干线大尺度光纤量子通信骨干网工程将于2016年下半年完工交付。该工程将构建千公里级高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，并建成大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范研究平台。

参与量子卫星研制的奥地利科学家/潘建伟导师蔡林格强调说：“量子卫星有助于信息传递者和接收者远距离交换令信息无法破解的密钥，而量子卫星将首先同北京交换密钥，今后还可在北京和维也纳之间分发量子密钥”，逐步构筑成全球量子通信网络。

值得庆贺的是，“墨子号”卫星发射后一直表现很好，所有参数都已达标，有些甚至高于预期。“墨子号”卫星发射升空一周时，中科院国家天文台兴隆观测站观测到罕见的红、绿光束。人们形象地说，“墨子号”实现了天地“握手”， 这一观测显示“墨子号”可以正常通信联系了。

量子通信，许你美好未来

目前，量子通信这一“永不被破解”的信息安全传输方式，已在市场上得以产业应用，如工商银行等多家银行率先试用量子通信加密技术。工商银行通过国盾的量子加密技术，将数据从数据中心传输到同城的另一个机房内。这样做是因为通过设备产生量子密钥，再对数据进行加密传输是不会被窃取的，这对金融数据传输非常必要。

早在2008年10月，中国科技大学通过实验将合肥市内的本校区、杏林苑、滨湖新区三个本不相干的点连接在一起。由于这三个点组成三节点可扩展的量子通信网络，因而实现了全球首个量子保密电话系统建设，开创了量子通信网的先河。随后，五节点，四十六节点，合肥、济南城域网，“京沪”城际网……量子通信网在不断扩张。

如今量子通信卫星发射成功后，量子通信网络如虎添翼，就能真正升到“广域”“洲际”传播，为信息保密传输开辟了“天地一体”的广阔天地。预计今年12月贯通的量子通信京沪干线（总长2000多千米）建成后，将主要用于军事、金融、政务等领域的信息安全传输。此外，媒体、大型企业、金融机构等都可以成为量子通信用户。量子通信关键技术的研发，初步形成构建空地一体广域量子通信网络体系的能力，并在全天时量子通信上取得突破。

量子通信的应用前景美好，但普及应用是逐步进行的，就像电话、手机的普及过程一样。起初，量子通信会应用于科学研究、国防、政务和金融等领域，之后才会在大众中广泛应用。至于要让每个人都能用上，估计需要10至15年。届时，每个人的家里、手机上或许会有一个量子加密芯片，银行转款、电子账户等操作将不用担心被盗用或者遭到攻击。

量子计算机，有望走入现实

更引人注目的是，随着对量子科学的深入研究和量子卫星的成功发射，进一步促进了量子计算机的发展。

在“墨子号”发射前不久，中国科技大学量子实验室成功研发出半导体量子芯片和量子存储技术，取得了量子计算机研制的突破性进展。量子芯片用于计算机的逻辑运算和信息处理，被称为计算机的“大脑”;有了量子存储装置，科学家利用它能实现超远距离的量子信息传输。因此，该技术的突破特别振奋人心。

为什么要研制量子计算机？早在1981年，物理学家理查德・费曼就提出了此观点：如果用传统电子计算机模拟量子力学，那么微观粒子的数量越多，计算量就越大，也就越不可能实现模拟。这种情况下要实现量子力学的模拟，就必须用和它的原理相同的方式。人们认为他的说法有道理，而且也得到事实的证明。于是，量子力学和计算机科学便开始结合，人们开始研究量子计算机了。

量子计算机优势大，关键在于它一个量子位可同时处于0和1两个状态，这是由量子叠加特性决定的。与此形成对比的是，传统电子计算机中的晶体管一次只能处于0或1的状态。如此一来，如果要进行海量运算量子计算机更合适。

因为，传统电子计算机只能按时间顺序来进行运算;而量子计算机能做到超并行运算，即它的N个量子位可同时表示2的N次方个状态，数量呈指数增长。譬如，目前我国性能最强大的天河二号超级计算机需要100年才能处理的任务，一台量子计算机只需0.01秒就能完成。

因而，量子计算机适用于庞大运算量的项目，如太空探测、核爆模拟、密码破解、气候变化、药物研究和模拟复杂的化学反应等。量子计算机对解决精确的天气预报和大城市交通拥堵等难题，也能大显身手，迎接挑战。

现在量子计算机研制已露出希望的曙光，出现这种具有高超速运算能力的计算机已为时不远。目前，中国科技大学研制的量子芯片已达到容错计算的精度，但逻辑比特数量仅有3个，当逻辑比特数量超过30个时，量子计算的性能将超越传统计算机。看来，量子计算机由科幻变为现实已指日可待。

知识链接 “墨子号”小档案

“墨子号”量子卫星外形呈立方体，高约1.7米，重640千克。其内部结构为上下两层：上层是与实验相关的量子卫星的核心装置;下层则为卫星的常规装置。这颗量子卫星是我国空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，其主要科学目标：一是进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破;二是在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。