“墨子”：通信安全的未來之星

王珊

全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”帶著科學家們探索星地量子通信的使命升空，它意味著，一個天地一體化的量子保密通信與科學試驗體系開始形成。

北京時間8月16日凌晨1時40分，一道火光劃過戈壁灘黑暗的夜空。長征二號丁運載火箭將世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”送往太空。

在發射指揮中心，潘建偉激動萬分，作為量子科學實驗衛星的首席科學家，這一刻，他等了13年。2003年提出量子衛星計劃時，他只有30歲出頭。他實驗室的一位同事回憶，“潘建偉幾乎單槍匹馬地把這個項目推進下去，并使中國在量子領域有了立足之地。”

“斯諾登事件告訴我們，在傳輸線路中可以進行光纜的無感竊聽，黑客的攻擊無所不在;根據量子理論，該技術應能解決通信安全的問題。”潘建偉說。

全球首顆量子科學實驗衛星帶著科學家們探索星地量子通信的使命升空，它意味著，一個天地一體化的量子保密通信與科學試驗體系開始形成。

“墨子號”宏偉計劃

首次升空的量子科學實驗衛星取名為“墨子”。

潘建偉很喜歡這個名字，覺得“很妥帖”。“中國人的祖先里有很多非常偉大的科學家，墨子就是其中之一。他正是通過小孔成像實驗，證明了光是沿著直線進行傳播的，他的發現奠定了光通信、量子通信的基礎。”潘建偉說，衛星取名“墨子”，也是對中國傳統文化的一份自信與敬意。

“這是首顆有量子能力的衛星，是朝向未來量子互聯網發展的重要一步。”量子通信學的世界權威、維也納大學教授蔡林格（Anton Zeilinger）也來到了酒泉衛星發射中心。他是潘建偉的老師，當然，兩人也是競爭對手。蔡林格說，“在量子衛星的太空競賽中，中國肯定是唱主角的。”

作為迄今唯一被嚴格證明為無條件安全的通信方式，量子不可分割、不可克隆的特點，能保證加密內容不被破譯。這可以從根本上保障信息安全、保護全人類的隱私，直至從根本上解決國防、金融等多領域面臨的信息安全問題。蔡林格說，“量子科學實驗衛星正在順利地將量子通信提高到一個新的水平。”

20世紀90年代中期，蔡林格在奧地利建立了自己的量子實驗室，并且需要一名學生來檢驗一些他的關于量子的實驗猜想。剛剛從中國科技大學研究生畢業的潘建偉是個不錯的選擇，他渴望“像蔡林格一樣在中國建立起世界領先的量子實驗室”。

這給蔡林格留下很深的印象，“我一直相信他會前程似錦，但沒想到他居然會獲得如此令人難以置信的成功，我想，這是任何人都無法預料的，我為他感到非常驕傲。”

技術驗證只是潘建偉宏偉計劃的一部分。他希望建設一個像北斗一樣的量子星座，通過衛星組網，來有效突破“地影區”的限制，從而使星載量子存儲、星間量子中繼、超遠距離量子糾纏分發，都可以通過衛星網絡實現。當然，這不是件容易的事情，“我希望5年內可以解決衛星之間通信無障礙的技術，10年內能夠形成星座群。屆時，可以極大地改變中國在信息安全領域的被動局面。”

蔡林格會加入到潘建偉的事業中來。下一步，北京將和維也納建立量子通信，中方科學家決定向全球開放載荷的相關數據，“那將是第一次全球規模的量子通信。”為此，蔡林格的一位研究生，現在已經開始學習漢語。

魔性的“小妖精”

直到發射成功的一刻，潘建偉和其團隊所有人的心才放了下來。“我們以前做各種各樣的衛星的時候，一般都有個參考。盡管人家不會把技術告訴你，但是至少心理上是有個預期的，因為別人已經做成了。而這次，這個東西到底行不行，我們剛開始做的時候心里真沒底。”量子科學實驗衛星工程常務副總師兼總指揮王建宇經手的衛星研制工作已經不計其數，但是，量子衛星對于所有參與者都是一個從未有過的巨大挑戰。

潘建偉。

升天成功的量子衛星的個頭并不大，是個邊長只有1.7米左右的立方體，體重640公斤。然而，就是這么一個“小家伙”，花費了潘建偉十多年的精力。

“如果能弄明白為什么會有量子糾纏，我立即死都愿意。”第一次接觸到量子的概念，潘建偉便著了迷，它們仿佛是有著魔性的“小妖精”，“幾乎無法使我分心去學其他東西。”就在前段時間，潘建偉還在一期電視節目中如此表示。

在人類科學史上，可能沒有一個學科像量子力學這樣，幾乎動用了近代所有物理學家的智慧，其本質仍在幽暗中閃爍，令人困惑，因而它被科學家稱為“世紀幽靈”。

不同于原子、電子、中子等物質實體，量子只是一個能量的最小單位。換句話說，所有的微觀粒子，包括原子、電子、光子等都是量子的一種表現形態。

科學家們發現，這個被稱為“小妖精”一樣的東西具有一種神奇的疊加特性。比如說，一只貓可以擁有兩個狀態，生或者死，但是不能同時處于生與死的中間狀態。而在量子世界里，不僅具有死和活兩種狀態，而且可以同時處于兩種狀態的疊加。

科學家們早先將這種疊加效用運用到建設量子計算機中去。在量子計算中，每個比特可以處于0或1兩種狀態的疊加中，有并行運算的能力，一旦操縱的量子數目增多，它就會以指數增長的形式來提升運算速度。比如說，利用萬億次經典計算機分解300位的大數需要15萬年，但利用萬億次量子計算機，只需要1秒！

量子另外一個引人注目的特點，即量子糾纏也開始受到科學家的關注。這是一種神奇的現象：如果兩個相似的量子距離足夠近，就會發生糾纏。即使把它們分開，無論多遠，哪怕一個在月球，另一個在地球，這兩顆量子的狀態就好像一對有心靈感應的雙胞胎一樣，改變其中一個量子的狀態，另一個量子的狀態就會瞬間改變。這種狀態之間的關聯不需經典物理學中的力場或電場，其關聯速度也可認為超過光速，被稱為“量子非定域性”。

1997年，潘建偉在蔡林格的實驗室和同事們完成了一個重要的實驗，在國際上首次實現光子的量子隱形傳態，發現未知量子態可以精確地完成從A地到B地的瞬間傳輸。這一成果發表在《自然》雜志上，被認為是量子信息實驗領域的開端，同時被美國物理學會、歐洲物理學會和《科學》雜志評為年度十大進展。

這些神奇特點，加上量子不可分割、不可克隆的屬性，促使一個新興的概念開始出現，即極度安全的量子通信。“如果我們帶著一個保險箱去北京開會，而保險箱的鑰匙落在合肥了，在合肥的同事可以通過量子隱形傳態，將鑰匙的每一個特征都精確傳送到北京，而在此過程中他并不掌握這把鑰匙的任何信息。這在經典世界中是不可想象的。”潘建偉舉例說。

科學家們乃至各國政府希望憑借進一步的發現來實現通信安全的夢想。上世紀末，美國政府便將量子信息列為“保持國家競爭力”計劃的重點支持課題;歐洲則早在上世紀90年代就意識到量子信息處理和通信技術的巨大潛力，認定其高風險性和長期應用前景，從歐盟第五研發框架計劃開始，就持續對泛歐洲乃至全球的量子通信研究給予重點支持。

中國也不例外。2001年，潘建偉建立了國內第一個光量子操縱實驗室。而此時，他就已經謀劃好自己的科研路線圖：通過量子通信研究，從初步實現局域量子通信網絡，到實現多橫多縱的全球范圍量子通信網絡，以保證信息傳輸的絕對安全。

因為全球光纖網絡的飛速發展，基于光纖技術的量子通道是最容易建立的。2004年，美國馬薩諸塞州劍橋城正式投入運行了世界上第一個量子密碼通信網絡，網絡傳輸距離約為10公里。

潘建偉科研路線圖的第一步即是利用光纖在合肥建設城域間的量子信息通信試驗示范網。有了這一安全保障，示范網用戶傳遞的信息內容就會變得不可竊聽、復制或破譯。而且，他們研制的量子通信網絡終端設備、微光探測核心器件、網控設備等產品也需要一個試驗床。

合肥示范網有46個節點，網絡覆蓋合肥市主城區，用戶涵蓋省市政府機關單位、金融機構、研究院所等。“我們需要一個具有穩定性和安全性的更大的平臺來檢測通信，同時積累量子通信網絡的建設和運維經驗。”潘建偉團隊的成員趙勇說。

8月16日1時40分，中國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星（簡稱“量子衛星”）發射升空。此次發射任務的圓滿成功，標志著我國空間科學研究又邁出重要一步。

小小的示范網只是潘建偉謀劃的量子通信“京滬干線”的一部分。這項工程總長2000余公里，從北京出發，經過濟南、合肥，到達上海，提供4城市間網狀8Gbps加密應用數據傳輸業務。

潘建偉的小組成員曾經表示過，他們希望通過京滬干線來探索一定的商業盈利模式，從而在覆蓋全國的量子通信網絡建成后，促進量子通信的產業化。2012年，英國《自然》雜志在報道該項目團隊量子通信研究成果的新聞特稿中不吝贊美之詞：“這標志著中國在量子通信領域的崛起，從十年前不起眼的國家發展為現在的世界勁旅，將領先于歐洲和北美……”

然而，由于光纖的固有損耗，在光纖中實現遠距離量子通信面臨著巨大的挑戰。處于0或1疊加狀態的量子信號采用光纖傳輸，信號傳輸大概100公里就會被光纖吸收。即使存在超出目前技術水平的10G赫茲理想單光子源和100%探測效率的理想單光子探測器，在1000公里光纖中進行點對點量子通信，每300年只能傳輸一個比特。

在經典通信下，這種衰減可以通過放大器件進行放大后傳輸，只要建立好中繼站，光纖網絡便可以遍布全球。潘建偉等人也采取類似的方法對量子通信網絡每隔一段距離設置一個信號中轉站，“目前這個技術我們還在做，但是（若想以此來實現全球通信）10年之內不會有太實用的價值。”

因此，要想實現覆蓋全球的廣域量子保密通信， 太空可能是一個很好的選擇。2003年，潘建偉就提出了建設量子科學實驗衛星的計劃，并希望在太空上對量子力學的預測進行檢驗。“我們發現，光子的信號在穿過整個大氣層之后，只有20%左右的信號會被損失掉，80%的光都可以從天上直接到達地面。從北京到上海之間傳送密鑰，按照目前的計算，做得比較好的話，做到每秒幾兆的傳輸沒有問題。這樣就可以視頻通話、打語音電話。”

蔡林格研究組也一直在與歐洲空間局商討建立以國際空間站為平臺的星地量子通信計劃。不過，歐洲空間局緩慢的決策機制使得這一計劃一再順延。

雙重使命

剛剛發射成功的量子實驗衛星在兩年的設計壽命中，承載著科學研究和技術開發的雙重使命。

從科學研究的角度說，潘建偉希望通過“星地量子糾纏分發實驗”和“地星量子隱形傳態實驗”等相關實驗，在大尺度的空間對量子理論進行相關檢驗，即驗證糾纏光子分開千公里的尺度后，是否依然保持糾纏特性，并在千公里的尺度上通過測量貝爾不等式，檢驗量子力學基本原理。

從技術的角度來看，作為目前世界上唯一的星地量子信道，科學家將通過衛星將地面站、地面光纖網絡及其他地面終端連接，如果運行順利，天地一體化的量子通信網絡將初步成為現實，人們有望實現全球量子密鑰初步業務化運行。

量子科學實驗衛星通信的最大難點在于如何實現天地一體化的量子聯通。這好比站在萬米高空的飛機上往一個扁口的存錢罐里扔硬幣，而且，存錢罐也在不斷地旋轉運動，如果發生一點點偏差，信息的傳遞便會功虧一簣。“一旦誤碼率高于3.5%的底線，信息傳輸就沒有意義了。”

此外，量子衛星采用單光子探測器對每一個光子進行捕捉。中國利用已有的四個天文臺站接收衛星信號，以節約成本。從量子衛星到地面跨度為500公里，而地面站之間則相距1200公里，這也使得他們的實驗接收站形成了國際上跨度最大的單個實驗室。他們使用的望遠鏡極其靈敏，在這樣的敏感度下，可以看到月球上點燃的一根火柴，或者看清木星、衛星上的車牌號。

在太空中，量子衛星每秒鐘大約向地面發射一億個光子，地面接收裝置按照先來后到的順序對所有光子進行接收，要想保證準確率，他們必須知道每個光子發射的順序。為此，科學家們采用時間同步的方法，將發送端和接收端對應起來。“我們現在的接收頻率能做到一個納秒，也就是在一秒鐘之內，把一億個光子全都排列好。”王建宇說。

諾貝爾物理學獎得主安東尼·萊格特（Anthony J. Leggett）認為，量子科學實驗衛星的發射是非常有趣的一項實驗。在衛星發射前，他就曾表示如果量子科學實驗衛星上的實驗能夠獲得成功，“它肯定會為最終的量子互聯網打下堅實的基礎。”

不過，對于量子互聯網能否成為未來全球通信潮流，他認為，這取決于國際社會是否認為這種系統的收益大于成本。“我可以想象，最初它的成本將會十分高昂。”

潘建偉則相對樂觀，在他看來，量子通信的應用前景，就像電話的普及過程一樣，將逐步進行，蔚為可觀。他甚至給出了一個量子通信技術普及的時間表：5年左右很多機要部門開始用，10年左右金融業、銀行等大機構開始使用，15年的時間或許走進千家萬戶。“屆時，每個人的家里、手機上或許都會有一個量子加密芯片，那么，銀行轉款、電子賬戶等涉密操作，都不用擔心被盜用或者攻擊。”