宋云鶴

摘要“墨子號(hào)”量子通信衛(wèi)星的成功發(fā)射預(yù)示著我國(guó)在量子通信技術(shù)發(fā)展上取得了巨大成功。量子通信作為一種無(wú)條件安全性的新型信息通訊方式也漸漸走入了人們的視野。本文首先從“墨子號(hào)”衛(wèi)星的發(fā)射探討了量子衛(wèi)星中所涉及的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，然后介紹了我國(guó)量子通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。相信在不久的將來(lái)，量子通信技術(shù)的發(fā)展將會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)極大的改變和積極影響。

關(guān)鍵詞量子；墨子號(hào)；量子通信衛(wèi)星；量子通信

2016年8月16日凌晨1時(shí)40分，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”由我國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。全國(guó)人們?yōu)榇藲g呼雀躍，各大媒體也爭(zhēng)相報(bào)道這一科研壯舉。目前，我國(guó)已經(jīng)成為世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)太空一地面量子通信的國(guó)家，然而對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)基于量子物理學(xué)發(fā)展而來(lái)的量子通信技術(shù)依然是晦澀難懂的深?yuàn)W科學(xué)。那么，我們便基于量子衛(wèi)星的發(fā)射來(lái)談一談量子衛(wèi)星所涉及的基本科學(xué)問(wèn)題。

1量子衛(wèi)星

1.1量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”名稱(chēng)的由來(lái)

在我國(guó)古代，墨子先生不僅創(chuàng)立了墨家學(xué)說(shuō)，更是在傳世的《墨經(jīng)》一書(shū)中提出了“光學(xué)八條”的理論。在“光學(xué)八條”中不僅描述了我國(guó)古代人民對(duì)光線(xiàn)的認(rèn)識(shí)，也設(shè)計(jì)出了我國(guó)最早的小孔成像實(shí)驗(yàn)，這是我國(guó)有關(guān)光學(xué)研究的基礎(chǔ)。為了紀(jì)念墨子先生，我國(guó)發(fā)射的全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星便被命名為“墨子號(hào)”。

1.2“量子”的定義

在1900年，著名的物理學(xué)家普朗克為了解釋黑體輻射現(xiàn)象提出了一個(gè)假設(shè)，即黑體輻射的能量只能取某一基本能量的整數(shù)倍?；谶@一假設(shè)，在之后幾十年的研究中，研究者們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其他物理量也表現(xiàn)出了不連續(xù)的量子化現(xiàn)象，那么這些物理量中所存在的最小的基本單位便可以稱(chēng)之為量子。量子理論的提出嚴(yán)重地沖擊了古典物理學(xué)，到20世紀(jì)早期，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意便在普朗克

愛(ài)因斯坦的光量子論和玻爾的原子論的啟發(fā)下建立了量子力學(xué)理論。量子力學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的多個(gè)領(lǐng)域中均有應(yīng)用和突出貢獻(xiàn)，而量子通信技術(shù)也是基于量子力學(xué)發(fā)展而來(lái)的，對(duì)未來(lái)科學(xué)技術(shù)和文明的進(jìn)步具有重要意義。

1.3量子通信

量子通信是利用量子態(tài)和量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息或密鑰傳輸?shù)男滦屯ㄐ欧绞?。量子通信的主要目的便是保證信息傳輸過(guò)程中的無(wú)障礙傳送和信息安全。而在量子通信技術(shù)研究之前，人們?yōu)榱吮ＷC傳輸信息過(guò)程中的安全問(wèn)題，便選擇對(duì)所傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密。信息加密便是將我們要傳輸?shù)男畔ⅲā懊魑摹保┺D(zhuǎn)化成別人不可識(shí)別的亂碼（“密文”）。在20世紀(jì)前中期，信息加密技術(shù)依然有其優(yōu)越之處，也是人們普遍使用的方法。但是，電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使基于特定參數(shù)所建立的密鑰并不再安全。隨著現(xiàn)代電子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，直至量子計(jì)算機(jī)的研制成功，計(jì)算機(jī)的能力急劇加強(qiáng)，那么這種基于基本算法的信息加密技術(shù)在量子計(jì)算機(jī)面前形同虛設(shè)。為了保障新時(shí)代背景下的信息安全，量子通信技術(shù)得到快速發(fā)展。量子通信是基于早期的對(duì)稱(chēng)密碼：“一次一密”。一次一密的概念在1917年由Vernam提出，然后于1949年被Shannon證明是無(wú)條件安全的。隨著量子理論的發(fā)展，在1984年，科學(xué)家Bennett和Brassard首次提出了第一個(gè)實(shí)用性的量子密碼的通信協(xié)議，該協(xié)議以?xún)烧叩拿置?。在其后，美?guó)科學(xué)家完成了世界上第一個(gè)量子信息傳輸實(shí)驗(yàn)，從此量子通信技術(shù)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的時(shí)期。在1995年，我國(guó)中科院物理所在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了試驗(yàn)性質(zhì)的量子信息傳輸實(shí)驗(yàn)。進(jìn)入21世紀(jì)之后，量子通信技術(shù)蓬勃發(fā)展，先后實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離信息傳輸和量子密碼傳輸。

量子通信技術(shù)在信息傳輸?shù)陌踩院蛡鬏斈芰ι暇哂袠O大的優(yōu)勢(shì)。首先，在利用量子通信技術(shù)傳輸信息的過(guò)程中，由于信息的載體是光量子，而光量子的量子狀態(tài)是難以截獲的，因而利用量子通信傳輸?shù)男畔⑹遣豢赡鼙槐I取的。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，利用量子通信技術(shù)傳輸?shù)男畔⑹菬o(wú)條件安全的。其次，在量子通信過(guò)程中，量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙通信。所謂的量子糾纏態(tài)，便是兩個(gè)相互糾纏的粒子，當(dāng)其中一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)立即發(fā)生相應(yīng)的變化。這種無(wú)視空間距離的和即時(shí)的信息傳輸能力是量子通信的巨大優(yōu)勢(shì)。

1.4量子通信衛(wèi)星

量子通信衛(wèi)星是量子通信技術(shù)中的重要硬件設(shè)施。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子通信衛(wèi)星的作用就是為傳輸?shù)男畔⒎峙涿荑€。量子通信過(guò)程中，負(fù)載信息的光量子在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)逐漸衰減直至消失，因此光量子的傳輸存在著距離的限制。一般而言，當(dāng)光量子在空氣中傳播100km時(shí)，光量子的信號(hào)已經(jīng)難以檢測(cè)到了。但是，量子通信衛(wèi)星在太空中進(jìn)行光量子傳輸時(shí)，光信號(hào)在到達(dá)地表之前僅僅需要經(jīng)過(guò)10km左右的大氣層，地面基站可以輕松地收到量子通信衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)。量子通信衛(wèi)星先向地面基站發(fā)送量子密鑰，經(jīng)過(guò)比對(duì)之后建立絕對(duì)不可破譯的量子密鑰，繼而擁有相同量子密鑰的兩個(gè)地面基站，便可以把已經(jīng)加密的信息通過(guò)傳統(tǒng)的信息傳輸方式（如互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)電話(huà)等）互相傳輸，而且所傳輸?shù)男畔⒁彩墙^對(duì)安全的。量子通信衛(wèi)星的使用可以實(shí)現(xiàn)全球距離的信息傳輸。

2我國(guó)量子通信技術(shù)的發(fā)展

1）我國(guó)國(guó)家政策和戰(zhàn)略布局高度重視量子通信技術(shù)的研究和發(fā)展。量子通信技術(shù)已被列入國(guó)家“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃綱要中，屬于國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的具有引領(lǐng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ那把丶夹g(shù)。

2）我國(guó)的量子通信技術(shù)布局較早，發(fā)展較快，成果也更為顯著。早在1995年，中科院物理所便在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了我國(guó)首個(gè)的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)演示。在其后，我國(guó)先后成立了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子物理與量子信息研究部、中國(guó)科學(xué)院量子技術(shù)與應(yīng)用研究中心和中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心。這些研究中學(xué)的成立將會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)量子通信技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，使我國(guó)的量子通信技術(shù)研究始終走在全球前列。

“墨子號(hào)”衛(wèi)星的發(fā)射僅僅是開(kāi)始，在未來(lái)更多的量子衛(wèi)星將會(huì)發(fā)射升空，進(jìn)一步為我國(guó)建立洲際量子通信，乃至全球量子通信網(wǎng)絡(luò)。

3結(jié)論

隨著量子衛(wèi)星的成功發(fā)射，未來(lái)我國(guó)將建立完備的量子通信領(lǐng)域科研和實(shí)驗(yàn)體系。作為高新科學(xué)技術(shù)的代表，量子通信技術(shù)的發(fā)展是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志?，F(xiàn)階段，我國(guó)在量子通信技術(shù)領(lǐng)域己達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，為下一步建立全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)將引領(lǐng)全球量子通信技術(shù)的發(fā)展，“墨子號(hào)”衛(wèi)星的成功發(fā)射是成功也是挑戰(zhàn)。我相信，在不久的將來(lái)量子通信網(wǎng)絡(luò)的建立將會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)極大的改變和積極影響。