那么，為什么鑰匙被別人一碰，就能立刻被知曉呢？

　　因?yàn)?，科學(xué)家利用量子有多個(gè)疊加態(tài)的原理，用量子作為密鑰。這樣一來(lái)，一旦有人試圖截獲或測(cè)試量子密鑰，就會(huì)改變量子狀態(tài)，科學(xué)家便能立刻從改變中發(fā)現(xiàn)有人動(dòng)了鑰匙。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性，就能實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全的通信方式。

　　量子通信的另一重要內(nèi)容量子隱形傳態(tài)，是利用量子糾纏特性可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身，通過(guò)隱形傳輸實(shí)現(xiàn)信息傳遞。遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)是實(shí)現(xiàn)分布式量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元。

　　外太空光信號(hào)損耗非常小，因此通過(guò)衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離

　　量子通信通常采用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過(guò)光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離的增加而指數(shù)增加。由于量子不可克隆原理，量子通信的信號(hào)不能像經(jīng)典通信那樣被放大，這使得之前量子通信的世界紀(jì)錄為百公里量級(jí)。根據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)算，通過(guò)1200公里的光纖，即使有每秒百億發(fā)射率的單光子源和完美的探測(cè)器，也需要數(shù)百萬(wàn)年才能建立一個(gè)比特的密鑰。因此，如何實(shí)現(xiàn)安全、長(zhǎng)距離、可實(shí)用化的量子通信是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國(guó)際學(xué)術(shù)界幾十年來(lái)奮斗的共同目標(biāo)。

　　中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總師、衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮王建宇說(shuō)：“利用外太空幾乎真空因而光信號(hào)損耗非常小的特點(diǎn)，通過(guò)衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離。同時(shí)，由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個(gè)地球的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是在全球尺度上實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離實(shí)用化量子密碼和量子隱形傳態(tài)最有希望的途徑。”

　　從本世紀(jì)初以來(lái)，該方向已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界激烈角逐的焦點(diǎn)。潘建偉團(tuán)隊(duì)為實(shí)現(xiàn)星地量子通信開(kāi)展了一系列先驅(qū)性的實(shí)驗(yàn)研究。

　　2003年，潘建偉團(tuán)隊(duì)提出了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)星地間量子通信、構(gòu)建覆蓋全球量子保密通信網(wǎng)的方案，隨后于2004年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了水平距離13公里（大于大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)，驗(yàn)證了穿過(guò)大氣層進(jìn)行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正式立項(xiàng)。2012年，潘建偉領(lǐng)銜的中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了首個(gè)百公里的雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，充分驗(yàn)證了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)量子通信的可行性。2013年，中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了模擬星地相對(duì)運(yùn)動(dòng)和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，全方位驗(yàn)證了衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)的可行性。隨后，該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)艱苦攻關(guān)，克服種種困難，最終成功研制了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。“墨子號(hào)”衛(wèi)星于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過(guò)4個(gè)月的在軌測(cè)試，2017年1月18日正式交付開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

　　為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)

　　此次完成的星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一。

　　中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師、衛(wèi)星系統(tǒng)副總師彭承志說(shuō)：“量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號(hào)，地面接收的方式。‘墨子號(hào)’量子衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，與河北興隆地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個(gè)數(shù)量級(jí)（萬(wàn)億億倍）。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬(wàn)個(gè)信號(hào)光子，一次過(guò)軌對(duì)接實(shí)驗(yàn)可生成30萬(wàn)比特的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)1千1百比特每秒。”

　　潘建偉表示，這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。“以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實(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)（如合肥量子通信網(wǎng)、濟(jì)南量子通信網(wǎng)、京滬干線）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)。”

　　地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的另一個(gè)科學(xué)目標(biāo)之一。

　　“量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式，‘墨子號(hào)’量子衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，與海拔5100米的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產(chǎn)生8000個(gè)量子隱形傳態(tài)事例，地面向衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，實(shí)驗(yàn)通信距離從500公里到1400公里，所有6個(gè)待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。”彭承志說(shuō)：“假設(shè)在同樣長(zhǎng)度的光纖中重復(fù)這一工作，需要3800億年（宇宙年齡的20倍）才能觀測(cè)到1個(gè)事例。這一重要成果為未來(lái)開(kāi)展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究，以及空間量子物理學(xué)和量子引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。”

　　《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2017年08月10日 06 版）

原標(biāo)題：“墨子號(hào)”，搶占量子科技創(chuàng)新制高點(diǎn)

來(lái)源：http://scitech.people.com.cn/n1/2017/0810/c1007-29461008.html