開門！放「墨子」！

大事兒

2017年1月18日，我國發射的世界上第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」在4個月的在軌測試之後，正式交付使用。

文/王令朝

2016年8月16日凌晨，甘肅酒泉上空一顆非同一般的科學實驗衛星騰空而起，頓時吸引了全世界科學家的目光。原來，這顆以戰國時期思想家墨子命名的衛星，它是帶著探索星地量子通信的使命，為中國和世界的前沿科技「探路」。

「墨子號」衛星是世界上第一顆量子科學實驗衛星，它通過烏魯木齊南山、北京興隆、青海德令哈與雲南麗江四個量子通信地面站，以及西藏阿里量子隱形傳態實驗站，在60萬平方千米範圍內，測試量子科技用於遠距離通信的可行性。

這意味著，世界上將首次實現衛星和地面之間的量子通信，一個天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系，將在中國科學家手中圓夢。隨著世界上第一封絕對不會被攔截、被破譯和被複制的密信誕生，標誌著在量子通信科學領域上中國終於成了世界領跑者，重拾古代四大科學發明的中華風采。

我國發展量子通信的三個階段

所謂量子衛星，就是指以量子信號作為衛星與地面之間數據傳輸媒介的衛星。其整個運作過程是，量子信號從地面上發射並通過大氣層，衛星接收到量子信號並按需將其轉發到另一個特定衛星，量子信號從該特定衛星再次通過大氣層到達地球某個指定的接收地點。也就是說，量子衛星與其他通信衛星的不同之處是，它傳送的是量子信號，正是量子這種不可破解的特性造就了信息傳輸的絕對安全。

之所以要發射量子衛星，是因為目前量子密鑰在光纖網路中的分發距離相對較短，需要藉助數量龐大的中繼站才能構建長距離的量子通信網路；而在大氣層里，這種光量子信號卻可以一次性傳遞數千千米，因此，通過天上的量子衛星便能輕而易舉地實現遠距離乃至全球範圍的量子通信網路。

有關專家披露，2013年我國已經制訂了量子衛星戰略先導專項計劃，按照這一計劃，我國量子通信技術發展分成以下三個階段：第一階段，是通過光纖實現量子通信城域網路；第二階段，是通過量子中繼站實現量子通信城際網路；第三階段，是通過量子衛星中轉實現可覆蓋全球的量子通信廣域網路。

不言而喻，「墨子號」量子衛星的成功發射，正是拉開了我國量子通信發展第三階段的序幕。這不僅是我國量子保密通信領域「殺手鐧」技術研發的重大突破，而且讓中國走到了量子通信領域的最前沿。

「墨子號」量子衛星的驚人絕技

既然「墨子號」量子衛星非同凡響，那麼，它究竟身懷什麼樣的驚人絕技呢？

絕技之一，擁有高精尖儀器。別看它的外表在衛星家族中只是不起眼的小個子，然而，這顆貌似嬌小玲瓏的量子衛星可並非是以重量來碾壓群雄的。它「肚子」里裝有高精尖的神奇「法寶」，也許用一句「小身材，大能量」的廣告語來形容最為貼合。

絕技之二，擁有一種被稱為「微觀精靈」的技術。這種技術可以輕而易舉地駕馭星地間的量子信號傳遞，這是一個史無前例的創舉。也就是說，在500千米之外的太空上，可以將衛星上的光軸和地面實驗站的光軸對準，然後再把肉眼根本看不見的光量子發射到地面實驗站，而這種星地間光軸的對準精度是普通衛星所能達到的對準精度的10倍，可堪稱「針尖對麥芒」的神功。

絕技之三，機密性高。「墨子號」量子衛星可以在天上實現史上最安全的全球通信網，讓人們通信更加安全。這是因為量子天生就是防竊聽的神器，它既不可以被分割，也不可以被複制，再加上它的超遠距離量子糾纏效應，足以讓它擔當護送機密信息的角色，哪怕竊聽者的計算能力再強、破解密碼技術再高，一旦碰上量子密鑰便會功虧一簣。

據有關專家披露，之所以這顆質量僅為640千克的「墨子號」量子衛星擁有上述三大頂尖絕技，離不開它的內部裝有3個神奇的制勝法寶。

制勝法寶之一，是一台特製的激光器。它主要是用來生成單個的光量子，這種光量子也就是光的最小量子單元，而量子則是能量等物理量的最小單元。

制勝法寶之二，是一個量子糾纏源。它與激光器的功能有所不同，量子糾纏源的使命是製造出一對對處於糾纏狀態的光量子。它與普通光量子的狀態有著極大的區別，也就是說，這種糾纏狀態光量子並非是孤立的。人們可以把這種糾纏狀態想像成一對互相吸引的磁鐵，而與異性相吸磁鐵所不同的是，這種糾纏狀態的量子即使相隔萬里也能「心靈相通」，即其中一個量子狀態發生改變，另一個量子狀態也會隨之改變，著名物理學家愛因斯坦曾將這種現象形容為「如幽靈一般的遠距離作用」。

制勝法寶之三，是一套由量子密鑰通信機和量子糾纏發射機組成的光通信系統。這兩個設備相當於一個發射器，都是用來將光量子從「墨子號」衛星發射到地面實驗站。其中，密鑰通信機是處於一對一的工作狀態，也就是說，它發射單個光量子到單個地面實驗站；而糾纏發射機則是處於一對二的工作狀態，換句話說，就是把成對的糾纏光量子分別發射到兩個地面站實驗站。

難以估量的應用前景

在傳統的信息傳輸線路中，黑客的攻擊無所不在，因此，包括量子計算和量子通信在內的量子信息技術已成為當今世界尖端科技的香餑餑，量子通信的實用化和產業化更是歐盟、美國、日本等先進大國爭相追逐的目標。近年來，中國也成了量子通信領域內的「領跑者」。

據有關部門披露，我國即將完成「京滬幹線」大尺度光纖量子通信骨幹網工程，這標誌著世界上首個廣域光纖量子通信網路將在中國投入實際運用。該項超過1000千米的光纖量子通信骨幹網工程將是一個高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網路，它與「墨子號」量子衛星相互結合後，邁開了我國天地一體化廣域量子通信體系的第一步，用於量子通信技術驗證、應用研究和應用示範平台。

據悉，雄心勃勃的我國科學家不僅要從衛星上發射光量子到地球，還要從地球發射光量子到衛星上，然後利用超遠距離的量子糾纏效應，實現光量子狀態在星地間的傳輸。預計到2020 年，將實現亞洲與歐洲間量子密鑰分發試驗任務，以建成連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網；到2030 年左右，我國將建成全球化的廣域量子保密通信網路。這張全球化網路是由一連串環繞全球、相互糾纏的光量子組成的，整個網路可以覆蓋國防、金融、政務、商業、交通、貿易和物流等領域，以確保信息的絕對安全。

我國量子通信領域的研究人員樂觀地指出，也許要不了10 年的時間，量子通信就會進入千家萬戶。

——選自《科學畫報》