2016年8月16日1時(shí)40分，由我國(guó)自主研制的、世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”在酒泉用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭發(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：“墨子號(hào)”一舉突破了光量子的傳輸距離難以突破百千米級(jí)這一瓶頸，開(kāi)創(chuàng)了利用衛(wèi)星千千米傳送量子信息的先河?！澳犹?hào)”的成功發(fā)射，意味著我國(guó)量子通信技術(shù)已躋身全球領(lǐng)先地位。

為什么要發(fā)展量子通信技術(shù)

古往今來(lái)，人們對(duì)于信息加密的探索從未停止?？茖W(xué)發(fā)展到今天，基于計(jì)算復(fù)雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù)被破譯的可能性與日俱增。量子通信是迄今唯一被嚴(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，所以能保證加密內(nèi)容不被破譯，可以從根本上保障信息安全、保護(hù)全人類(lèi)的隱私。

我國(guó)基于光纖的城域和城際量子通信技術(shù)已走在世界前列，并在近幾年走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化。但是，由于光纖的固有損耗以及單光子狀態(tài)的不可復(fù)制性，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖量子通信的距離難以突破百千米量級(jí)。因此，要實(shí)現(xiàn)廣域乃至全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)，還需要借用衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)?！澳犹?hào)”正是在這種大背景下應(yīng)運(yùn)而生的。

“墨子號(hào)”完成了三大科學(xué)任務(wù)

“墨子號(hào)”自上天以來(lái)，在國(guó)際上第一次成功實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的星地雙向量子通信，圓滿完成了星地量子糾纏分發(fā)、量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)三大科學(xué)任務(wù)。

星地量子糾纏分發(fā)是“墨子號(hào)”的三大任務(wù)之一。量子糾纏實(shí)驗(yàn)非常難做，連愛(ài)因斯坦都感覺(jué)頭疼，稱(chēng)它為“鬼魅般的超距作用”。由于量子糾纏非常脆弱，以往的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)只停留在百千米的距離。這種“鬼魅般的超距作用”在更遠(yuǎn)的距離是否仍然存在？會(huì)不會(huì)受到引力等其他因素的影響？中國(guó)的“墨子號(hào)”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了超越，成功在太空中進(jìn)行了量子糾纏實(shí)驗(yàn)?！澳犹?hào)”進(jìn)行的太空量子糾纏實(shí)驗(yàn)僅僅比量子地面通信衰減了萬(wàn)分之一。

量子密鑰分發(fā)是“墨子號(hào)”的另一個(gè)科學(xué)任務(wù)?！澳犹?hào)”衛(wèi)星同河北省的地面量子接收建立起通信聯(lián)絡(luò)線路。從“墨子號(hào)”軌道到地面1200千米的距離進(jìn)行傳輸，星地量子密鑰的傳輸效率比地面的光纖傳輸效率高出1萬(wàn)萬(wàn)億倍。此外科學(xué)家利用“墨子號(hào)”衛(wèi)星，在中國(guó)和奧地利之間首次實(shí)現(xiàn)距離達(dá)7600千米的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信。該成果標(biāo)志著“墨子號(hào)”已具備實(shí)現(xiàn)洲際量子保密通信的能力。

量子隱形傳態(tài)是“墨子號(hào)”的第三個(gè)任務(wù)。量子隱形傳態(tài)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式。衛(wèi)星過(guò)境的時(shí)候與海拔5000多米的西藏阿里地面站建立光鏈路。阿里地面光源以每秒8000個(gè)量子隱身傳態(tài)示例，向墨子號(hào)傳輸光子。實(shí)驗(yàn)的距離從500千米到1400千米，整個(gè)實(shí)驗(yàn)取得了99.7%的成功。

星地量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)的實(shí)現(xiàn)，使人們可以利用量子糾纏所建立起的量子信道，構(gòu)建起量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元，同時(shí)也為未來(lái)開(kāi)展大尺度量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信實(shí)驗(yàn)研究，以及開(kāi)展外太空廣義相對(duì)論、量子引力等物理學(xué)基本原理的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)奠定可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。量子密鑰分發(fā)的實(shí)現(xiàn)，為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。以此為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)展到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網(wǎng)互聯(lián)，可以構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò)。

我國(guó)成功實(shí)現(xiàn)了洲際量子保密通信

2017年9月29日，世界首條量子保密通信干線“京滬干線”與“墨子號(hào)”進(jìn)行天地鏈路，我國(guó)科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn)了洲際量子保密通信。這標(biāo)志著我國(guó)在全球已構(gòu)建出首個(gè)天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。建成后的“京滬干線”，連接北京、上海，貫穿濟(jì)南和合肥全長(zhǎng)2000余千米的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)北京接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與“墨子號(hào)”的連接?！熬删€”全線路密鑰率大于20千比特/秒，可滿足上萬(wàn)用戶的密鑰分發(fā)業(yè)務(wù)需求，已實(shí)現(xiàn)北京、上海、濟(jì)南、合肥、烏魯木齊南山地面站和奧地利科學(xué)院6點(diǎn)間的洲際量子通信視頻會(huì)議。

我國(guó)量子通信未來(lái)發(fā)展前景

“墨子號(hào)”衛(wèi)星的成功發(fā)射和在軌運(yùn)行，將有助于我國(guó)在量子通信技術(shù)實(shí)用化整體水平上保持和擴(kuò)大國(guó)際領(lǐng)先地位，實(shí)現(xiàn)國(guó)家信息安全和信息技術(shù)水平的提升，有望推動(dòng)我國(guó)科學(xué)家在量子科學(xué)前沿領(lǐng)域取得重大突破，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)空間科學(xué)衛(wèi)星系列可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

此外，量子通信將改變我們的生活。“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉認(rèn)為：量子通信開(kāi)始會(huì)應(yīng)用于國(guó)防、金融、政務(wù)、科學(xué)研究等領(lǐng)域，但之后會(huì)在大眾中廣泛應(yīng)用。量子通信的應(yīng)用前景，就像電話的普及過(guò)程一樣，將逐步深入到千家萬(wàn)戶。未來(lái)，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，銀行轉(zhuǎn)款、電子賬戶等的涉密操作，再不用擔(dān)心被盜用和被攻擊。

（本刊記者）

【責(zé)任編輯】蒲 暉