世界首顆量子衛星升空 將傳送不可破解的密碼

中國16日凌晨在酒泉衛星發射中心，用長征二號丁運載火箭發射了世界首顆量子科學實驗衛星，它將在太空向地面發送不可破解的密碼以建立最安全保密的量子通信，并將對微觀量子世界最離奇詭異的現象開展科學實驗研究。

這顆衛星被起名為“墨子”，以紀念那位生活于2000多年前、崇尚科學的中國古代思想家。他是世界上第一位開展光學實驗的科學家。

量子衛星將在兩年的設計壽命中完成四大任務：星地高速量子密鑰分發實驗;廣域量子通信網絡實驗;衛星向相距1200公里的地面站分發糾纏的光子，在更宏大的尺度上測試被愛因斯坦稱為“詭異的”量子糾纏現象;在“世界屋脊”西藏阿里和衛星之間實現量子隱形傳態實驗。

600多公斤重的量子衛星帶有四個有效載荷：量子密鑰通信機、量子糾纏源、量子糾纏發射機、量子實驗控制與處理機。它將在距離地面500公里高的太陽同步軌道，大約90分鐘繞地球一圈。

專家說，如果衛星成功運行，中國將在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，并結合地面已有的光纖量子通信網絡，初步構建一個廣域量子通信體系。這顆衛星將改變加密學，為中國打造堅不可摧的通信系統鋪平道路，也意味著中國將成為全球量子通信技術的領頭羊。

“量子科學實驗衛星的發射，表明中國正從經典信息技術的跟隨者，轉變成未來信息技術的并跑者乃至領跑者。”量子衛星首席科學家、中國科學院院士潘建偉說，

這種安全的量子通信在國防、軍事、金融等領域應用前景廣闊。專家預測，量子通信技術可能在20至30年后對人類社會發展產生難以估量的影響。

諾貝爾物理學獎得主、美國科學院院士安東尼·勒蓋特說：“在太空上遠距離對量子力學的預測進行檢驗，我認為這將是非常有趣的一項實驗”，“如果量子科學實驗衛星上的實驗能夠獲得成功，那么它肯定會為最終的量子互聯網打下堅實的基礎。”

幽靈般的糾纏

除了在建立量子通信網絡方面的巨大應用價值外，這顆世界上首個專門用于量子研究的空間探測器還將為理解量子物理的一個最深遠和最令人費解的現象——量子糾纏邁出重要一步，將為物理學家提供一個測試量子理論基礎以及探索如何融合量子理論與愛因斯坦廣義相對論的全新平臺。

量子物理世界一個奇異現象是糾纏效應，量子糾纏可以把兩個或者更多粒子的命運關聯在一起。在這一奇特關聯中的粒子“心心相印”，無論它們是在同一間實驗室還是相隔整個星系，當測量其中一個狀態時，另一個狀態也會即刻發生相應改變。形象點比喻的話，這就如同兩張相距甚遠的紙張，人們在其中一張紙上書寫的時候，另一張紙上會立刻顯現所書寫的信息。

愛因斯坦將其稱為“遙遠地點之間詭異互動”。但是為什么會有這種現象?這依然是一個深奧的謎。

“對量子糾纏而言，在宏觀的大尺度距離上，會不會有什么變化，會不會受到引力的干擾，實驗上還是未知的。在衛星的幫助下，我們可以對物理學的一些基本問題做一些基本探索和檢驗，可能有新的物理發現。”潘建偉說。

另外，中國科學家還計劃在“世界屋脊”西藏阿里和衛星之間做一個有趣實驗——量子隱形傳態。

此前，科學家開展的量子隱形傳態實驗都是在地面進行的，“這次我們要測試能不能把地面的微觀量子態傳到太空。”潘建偉說。

雖然這與《星際迷航》中的“超時空傳輸”很類似，但目前科學家開展的量子隱形傳態實驗中，被傳輸的是信息而并非實物，而且僅限于一兩個粒子的信息。距離隔空傳輸宏觀物體的信息，哪怕是一粒沙子，都還很遙遠。

即使永遠無法進行真正的宏觀物質的量子隱形傳送，也并不意味著這種技術的發展不重要。量子隱形傳態在量子計算機和量子通信中發揮著巨大作用。

量子“矛”“盾”

盡管神秘、令人琢磨不透的量子力學還迷霧重重，科學家們卻已在利用量子世界的奇異特性開發威力強大的量子計算機和最為安全的量子通信。

量子計算利用量子態的疊加性質，可以實現計算能力的飛躍。“太湖之光”需要用100年計算的難題，量子計算機或許只需0.01秒。

然而，一些人對于量子計算機的恐懼多于期待。有專家指出，對于現有信息安全系統而言，一旦量子計算機橫空出世，它將成為一支“利劍長矛”，可以攻破現在所有的密碼。

所幸的是，量子物理同時提供了解決這一問題的辦法。

如果量子計算機是“利劍長矛”，那量子密鑰就是抵御它的“堅固盾牌”，它提供了一種不可竊聽、不可破譯的新一代密碼技術。

潘建偉說，量子密鑰分發就是在A和B之間共同生成一串只有他們兩邊知道的隨機數，然后用這個隨機數來加密。量子密鑰一旦被截獲或者被測量，其自身狀態就會立刻發生改變，從而一定會被發送方察覺并規避。由于量子密鑰分發是最先實用化的量子信息技術，一般所說的量子通信即是指的量子密鑰分發。

他說，量子通信理論上在光纖中最遠能做到400公里，再遠就做不下去了。而量子信號的攜帶者光子在外層空間傳播時幾乎沒有損耗，從天上向地面發送信號，大氣厚度只相當于水平8至10公里，80%的光可以穿透大氣，人們就可以在衛星的幫助下實現全球化的量子通信。

潘建偉介紹，量子衛星的首要任務就是在北京和烏魯木齊之間分發量子密鑰，還計劃向奧地利地面站發送量子密鑰。另外，意大利、德國、加拿大也有意與中國開展合作。

天地互動

量子衛星升空后，衛星與地面站之間的互動才是重頭戲。

中國科學家利用已有的天文觀測臺站，在云南麗江、新疆烏魯木齊、青海德令哈、河北興隆建設了量子通信地面站。而量子隱形傳態實驗需要從地面向衛星發射光子，為了避免大氣湍流的影響，空間量子隱形傳態實驗站建在了海拔5100米的西藏阿里。

潘建偉說：“我們的實驗面積遍布60萬平方公里，這形成了人類有史以來最大的‘天地一體化量子實驗室’。”

在量子密鑰分發和量子糾纏分發實驗中，衛星產生光子并發射光子，與之對接的地面系統負責接收光子。如果天地間的光子“接發球”順利完成，意味著以往局限于地球上的量子通信實驗場，將移師太空，構建星地一體的廣域量子通信體系。

然而，要做到天地互動并不容易。

量子衛星總設計師朱振才說：“量子衛星的一個顯著特點是要對德令哈與麗江，或德令哈與烏魯木齊兩個光學地面站同時實現對準，星上的光軸與地面望遠鏡光軸要嚴格對準，用一個形象的比喻就是針尖對麥芒。”

科學家說，這要求衛星的對準精度高于普通衛星的10倍，實驗才能順利展開。真正的問題在于，這顆衛星將在人們的頭頂以約8公里/秒的速度飛馳，地面觀測站每次只能持續跟蹤幾分鐘。

量子衛星工程常務副總師兼衛星總指揮王建宇說：“衛星的對準精度就好比我們在一萬米高空的飛機上，向地面扔一個一個硬幣，要準確投入儲蓄罐狹長的投幣口內，而儲蓄罐還在慢慢旋轉中;或者說從上海發射一束光，要瞄準北京任何一扇窗戶，指哪打哪。而衛星的探測靈敏度也是國際上最高的，相當于在月球劃一根火柴，在地球上都能看到。”

潘建偉說，國外專家也測算過，以這樣的技術，可以從地面上看到木星的衛星上汽車的牌照。

王建宇說：“我們要把科學家的夢想變為現實。研制量子衛星載荷，是我幾十年科研生涯從沒遇到過的挑戰。這是國際上第一顆量子衛星，我們原先的工作或多或少都能找到國際上的項目參考，但是這次的研發完全沒有可以借鑒的，全部靠我們自己解決。”

他說，為了讓穿越大氣層后光子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，為了保證量子衛星與地面接收站間超高精度地瞄準、捕獲和跟蹤信息，科研人員從2012年起就做了各種實驗，包括用熱氣球來模擬空間探測器的振動、隨機移動和高度變化，用行駛的車輛上裝載的轉盤來模擬衛星的飛馳而過。

科學家們在視野遼闊的青海湖畔苦戰了三年。青海湖的中央有一座海心山，恰好用來向對岸發送密鑰。他們住宿的帳篷就搭在湖邊的一個尼姑庵旁。因為量子通信實驗需要避開日光的干擾，所有這些實驗都要晚上來做。每到入夜，青海湖畔的他們就忙碌起來。做實驗時得注意燈光不能太亮，否則大如團團鵝絨的野生飛蛾，都會飛撲過來。最危險的是熱氣球實驗，高原湖邊氣流變化莫測，有一次熱氣球剛放飛，就遇上一陣狂風，瞬間將氣球吹到離地幾百米的高空，又突然險些掉到地面，把所有人都嚇出一身冷汗。

潘建偉說，目前的量子衛星空間覆蓋能力和應用還有限。其團隊還計劃開展空間站“量子調控與光傳輸研究”，研發星間量子通信技術、全天時量子通信技術等，同時進行量子密鑰組網應用。“如果國家支持發射多顆量子通信衛星，那么有希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通信網絡。”他說。