探秘“墨子号”

本月中下旬，浩瀚的宇宙空间可望增添一颗新的卫星——“墨子号”量子科学实验卫星，这是我国也是世界首颗量子科学实验卫星。记者从中国科学技术大学获悉，我国首颗量子科学实验卫星将于近日择机发射升空，目前这颗卫星发射前的各项准备工作已基本完成。如果该卫星运行成功，我国将成为世界上首次实现卫星和地面之间量子通信的国家。

绝对安全的星地通信

小小量子，神秘莫测；天地通信，魅力无穷。日前，我国即将发射的全球首颗量子科学实验卫星被正式命名为“墨子号”。中科院院士、中科大教授、量子卫星首席科学家潘建伟表示，墨子最早提出光线沿直线传播，设计了小孔成像实验，奠定了光通信、量子通信的基础。以中国古代伟大科学家的名字命名量子卫星，将提升我们的文化自信。

随着“墨子号”升空和京沪量子通信保密干线建成，我国将在世界上率先实现全球化的量子保密通信，一星一地将开启对量子世界从未有过的探索。 《自然》杂志曾经评论说：“在量子通信领域，中国用了不到十年的时间，从一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅。 ”以中科大为代表的量子通信研究团队，使得我国从起初的跟踪、并行，到如今的领跑量子世界。

量子通信最突出的特点，是其“保密”功能，被称为绝对安全的保密通信。 “从原理上来说，量子通信是无条件安全的通信方式。 ”潘建伟表示，由于量子具有不可分割、状态不可克隆的特性，将其作为信息载体就可以实现抵御任何窃听的密钥分发，进而保证传输内容的绝对安全。 “古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆开，就会留下泄密的痕迹。 ”潘建伟透露，量子密钥在量子通信中的作用比火漆更彻底，因为一旦有人试图打开“信件”，量子密钥会让 “信件”自毁，并让使用者知晓。

量子有很多奇特的特性。比如，与目前只有“0”和“1”两个状态的数字比特相比，量子比特可以处于这两种状态的相干叠加态，这就意味着一个量子比特可以携带更大量的信息。但其保密特性与量子的测不准原理息息相关。科学研究表明，量子是不可分的最小能量单位，能量或物质细小到一定限度，就无法被准确测量，因为测量意味着干涉。理论上完美到极致的显微镜，对于一个量子级别的粒子也束手无策，因为一“碰”就毁坏了粒子的待测状态。依据量子力学的这些原理，任何窃听者在信息传输过程中截取或测量，都会改变它们的状态，从而被实时发现。

制高点上的大国竞争

美国对量子通信的理论和实验研究开始较早，是最先将量子技术列入国家战略、国防和安全研发计划的国家。欧盟曾联合12个成员国发展基于量子中继和卫星的自由空间量子通信网络。日本计划到2040年建成极限容量、无条件安全的量子通信网络。在量子通信领域，世界上各大国纷纷投入大量的人力、物力和财力，以抢占在这一领域的制高点。

“在量子领域，目前可能离实用最接近的就是量子保密通信。 ”潘建伟介绍。 2011年，量子科学实验卫星工程在中科院先导计划中正式立项，中科大潘建伟团队负责科学应用系统的研制，并与中科院上海技术物理研究所王建宇团队设计天地一体化实验系统；中科院上海技术物理研究所与中科大共同负责星上量子通信有效载荷研制；上海微小卫星工程中心负责卫星平台研制；中科院国家空间科学应用中心负责了卫星运行中相关地面支撑任务；中科院国家天文台、光电技术研究所和上海光学精密机械研究所承担负责量子通信地面站建设。

“如果量子卫星和京沪干线两件事都做成了，意味着天地一体化的量子通信网络雏形就形成了，验证了技术上的可行性。 ”潘建伟表示，量子科学实验卫星上天后，可以实现高速星地量子通信，连接地面的城域量子通信网络。按照计划，今后我国还将陆续发射多颗量子卫星，力争在2030年前后率先建成全球化的广域量子保密通信网络。

罗马并非一日建成。今年1月，潘建伟团队的“多光子纠缠及干涉度量”项目，夺得国家自然科学奖一等奖。近年来，他们的量子通信成果9次入选两院院士评选的“年度十大科技进展新闻”，1次入选《自然》杂志评选的“年度十大科技亮点”，3次入选英国物理学会评选的“年度物理学重大进展”，3次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”。

实验卫星的科学使命

“量子科学实验卫星，之所以加上‘实验’二字，就是因为科学研究未必会一帆风顺。”潘建伟曾坦言。量子科学实验卫星是中科院空间科学战略性先导科技专项中首批确定的5颗科学实验卫星之一，旨在建立卫星与地面远距离量子科学实验平台，并在此平台上完成空间大尺度量子科学实验。随着量子卫星即将发射，其神秘面纱被一一揭开。

“这次量子科学实验卫星升空后，将进行星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络演示、星地双站纠缠分发以及地星隐形传态多项任务。 ”潘建伟表示。量子卫星所要进行的量子密钥分发、量子纠缠分发和量子隐形传态这三大实验都在地面进行过，但是在卫星和地面这么大尺度的空间展开，在全球还是首次。为应对挑战，潘建伟团队与多个兄弟单位联合攻关，并取得多项重要进展。比如，提出完整的星地量子通信系统方案，并在青海湖畔顺利完成世界首次浮空平台量子密钥分发试验等。

为配合完成量子科学实验卫星的科学使命，我国已在北京兴隆、乌鲁木齐南山、青海德令哈、云南丽江建设4个量子通信地面站，在西藏阿里建设1个空间量子隐形传态实验站，届时“墨子号”将与这5个站点进行通信对接。据中科院人士的介绍，这颗卫星研制历时4年半，质量约640千克，由长征-2D运载火箭发射，运行于500千米太阳同步轨道，轨道倾角为97.37°，设计在轨运行寿命2年。该卫星包括4个有效载荷：量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验控制与处理机，可与地面上相距千公里量级的两处光学站同时建立量子光链路。

7月初，“墨子号”已运抵酒泉卫星发射中心。此后，相关部门对卫星开展了为期20余天的技术区测试与检查工作，包括卫星的光学性能、电性能，及安装精度的检验，另外为卫星供电的太阳能帆板也已经安装完毕。作为世界上首颗量子卫星，其科技含量及精密程度都达到该研究领域前所未有的高度，因此卫星载荷的安全性极其重要。卫星发射当天，系统工作人员还将对其进行最后的检测和状态设置的确认。据悉，量子卫星发射是酒泉卫星发射中心执行的第76次发射任务，为了保证量子卫星的发射任务顺利完成，各方均做好了充足准备。

业内人士认为，量子科学实验卫星的研制与发射，有助于产生新的科学机遇，开拓新的科学前沿，更具备实用的现实作用，对国家信息安全的切实保障具有关键的意义。在科学层面，量子科学实验卫星将使我国在国际上首次实现星地量子通信，真正体现量子通信向广域范围发展的可能性，并将快速推进广域量子通信的实用化，实现国家信息安全和信息技术水平的跨越式提升。

·科普知识·

神奇的量子纠缠

量子世界很神奇，比如在量子通信中起着重要作用的“量子纠缠”，曾被爱因斯坦等科学家称作“幽灵般的超距离作用”。美国科学家、诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔切克曾用 《格林童话》中《两兄弟》故事打比方：“量子纠缠”就像一对有“心灵感应”的双胞胎，长得分不清彼此；他们也心灵相通，即便天各一方，弟弟有难，哥哥即刻得知。

量子纠缠是一种违反经典物理常识的量子现象。量子力学预言说，可以制备一种两粒子共同的量子态，其中每个粒子状态之间的关联关系不能被经典理论所解释，称为量子关联，这样的态称为两粒子量子纠缠态。爱因斯坦的“相对论”指出：相互作用的传播速度是有限的，不大于光速。可是，如果将处于纠缠态中的两个粒子分开很远，当我们完成对一个粒子的状态进行测量时，任何相互作用都来不及传递到另一个粒子上。按道理讲，另一个粒子因为没有受到扰动，这时状态不应该改变。但是这时另一个粒子的状态受到关联关系的制约，已经发生了变化。这一现象被爱因斯坦称为“诡异的互动性”。它似乎违反了爱因斯坦的“定域因果论”，因此量子纠缠态的关联被称为非定域的量子关联。

量子纠缠，指的就是两个或多个量子系统之间的非定域的量子关联。量子纠缠的非定域、非经典性已由大量的实验结果所证实。科学家认为，这是一种“神奇的力量”，可成为具有超级计算能力的量子计算机和量子保密系统的基础。实际上，科学家们发现量子纠缠还有很多奇妙的应用，可以在许多领域中突破传统技术的极限。

魔法般的量子计算

量子纠缠还有一个更了不起、但也更遥远的应用领域：量子计算。传统计算机离它的理论极限似乎已经不远，其中既有物理学导致的硬件局限，也有算法方面的软件局限。

对一些运算量特别巨大的问题，传统计算机需要消耗的时间长到人类等待不起，甚至宇宙都等不起，目前看来量子计算机是唯一可能的出路，它会比传统计算机快亿万倍。传统计算机算法基础是0或1的状态，而量子计算机则可以实现“既是1又是0”，多个纠缠在一起的量子比特能同时实现指数级别递增的运算威力，轻易碾压传统并行计算。

当然，研究还处在非常基础的阶段，很多问题尚待解答：用什么制作量子比特？怎么让它们维持那脆弱而短暂、特别容易遭到干扰的量子态？怎么对它们进行编程？制造量子计算机是不是需要有别于传统计算机的全新思路？用传统计算机发展历史来比拟的话，量子计算大概处于还在研发真空管的时代，让我们等待吧…… （桂运安）