“墨子號”衛星中的量子通信技術

宋云鶴

摘要“墨子號”量子通信衛星的成功發射預示著我國在量子通信技術發展上取得了巨大成功。量子通信作為一種無條件安全性的新型信息通訊方式也漸漸走入了人們的視野。本文首先從“墨子號”衛星的發射探討了量子衛星中所涉及的基礎科學問題，然后介紹了我國量子通信技術的發展現狀。相信在不久的將來，量子通信技術的發展將會對人們的生產生活帶來極大的改變和積極影響。

關鍵詞量子；墨子號；量子通信衛星；量子通信

2016年8月16日凌晨1時40分，世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”由我國酒泉衛星發射中心成功發射。全國人們為此歡呼雀躍，各大媒體也爭相報道這一科研壯舉。目前，我國已經成為世界上首個實現太空一地面量子通信的國家，然而對于普通人來說基于量子物理學發展而來的量子通信技術依然是晦澀難懂的深奧科學。那么，我們便基于量子衛星的發射來談一談量子衛星所涉及的基本科學問題。

1量子衛星

1.1量子衛星“墨子號”名稱的由來

在我國古代，墨子先生不僅創立了墨家學說，更是在傳世的《墨經》一書中提出了“光學八條”的理論。在“光學八條”中不僅描述了我國古代人民對光線的認識，也設計出了我國最早的小孔成像實驗，這是我國有關光學研究的基礎。為了紀念墨子先生，我國發射的全球首顆量子科學實驗衛星便被命名為“墨子號”。

1.2“量子”的定義

在1900年，著名的物理學家普朗克為了解釋黑體輻射現象提出了一個假設，即黑體輻射的能量只能取某一基本能量的整數倍。基于這一假設，在之后幾十年的研究中，研究者們陸續發現其他物理量也表現出了不連續的量子化現象，那么這些物理量中所存在的最小的基本單位便可以稱之為量子。量子理論的提出嚴重地沖擊了古典物理學，到20世紀早期，法國物理學家德布羅意便在普朗克

愛因斯坦的光量子論和玻爾的原子論的啟發下建立了量子力學理論。量子力學在現代科學技術中的多個領域中均有應用和突出貢獻，而量子通信技術也是基于量子力學發展而來的，對未來科學技術和文明的進步具有重要意義。

1.3量子通信

量子通信是利用量子態和量子糾纏效應進行信息或密鑰傳輸的新型通信方式。量子通信的主要目的便是保證信息傳輸過程中的無障礙傳送和信息安全。而在量子通信技術研究之前，人們為了保證傳輸信息過程中的安全問題，便選擇對所傳輸的信息進行加密。信息加密便是將我們要傳輸的信息（“明文”）轉化成別人不可識別的亂碼（“密文”）。在20世紀前中期，信息加密技術依然有其優越之處，也是人們普遍使用的方法。但是，電子計算機的出現使基于特定參數所建立的密鑰并不再安全。隨著現代電子計算技術的發展，直至量子計算機的研制成功，計算機的能力急劇加強，那么這種基于基本算法的信息加密技術在量子計算機面前形同虛設。為了保障新時代背景下的信息安全，量子通信技術得到快速發展。量子通信是基于早期的對稱密碼：“一次一密”。一次一密的概念在1917年由Vernam提出，然后于1949年被Shannon證明是無條件安全的。隨著量子理論的發展，在1984年，科學家Bennett和Brassard首次提出了第一個實用性的量子密碼的通信協議，該協議以兩者的名字命名。在其后，美國科學家完成了世界上第一個量子信息傳輸實驗，從此量子通信技術進入了蓬勃發展的時期。在1995年，我國中科院物理所在實驗室內完成了試驗性質的量子信息傳輸實驗。進入21世紀之后，量子通信技術蓬勃發展，先后實現了遠距離信息傳輸和量子密碼傳輸。

量子通信技術在信息傳輸的安全性和傳輸能力上具有極大的優勢。首先，在利用量子通信技術傳輸信息的過程中，由于信息的載體是光量子，而光量子的量子狀態是難以截獲的，因而利用量子通信傳輸的信息是不可能被盜取的。在現有的技術條件下，利用量子通信技術傳輸的信息是無條件安全的。其次，在量子通信過程中，量子態隱形傳輸技術可以實現無障礙通信。所謂的量子糾纏態，便是兩個相互糾纏的粒子，當其中一個粒子的狀態發生變化時，另一個粒子的狀態會立即發生相應的變化。這種無視空間距離的和即時的信息傳輸能力是量子通信的巨大優勢。

1.4量子通信衛星

量子通信衛星是量子通信技術中的重要硬件設施。簡單來說，量子通信衛星的作用就是為傳輸的信息分配密鑰。量子通信過程中，負載信息的光量子在傳輸的過程中會逐漸衰減直至消失，因此光量子的傳輸存在著距離的限制。一般而言，當光量子在空氣中傳播100km時，光量子的信號已經難以檢測到了。但是，量子通信衛星在太空中進行光量子傳輸時，光信號在到達地表之前僅僅需要經過10km左右的大氣層，地面基站可以輕松地收到量子通信衛星發射的信號。量子通信衛星先向地面基站發送量子密鑰，經過比對之后建立絕對不可破譯的量子密鑰，繼而擁有相同量子密鑰的兩個地面基站，便可以把已經加密的信息通過傳統的信息傳輸方式（如互聯網、無線電話等）互相傳輸，而且所傳輸的信息也是絕對安全的。量子通信衛星的使用可以實現全球距離的信息傳輸。

2我國量子通信技術的發展

1）我國國家政策和戰略布局高度重視量子通信技術的研究和發展。量子通信技術已被列入國家“十二五”科技發展規劃綱要中，屬于國家重點發展的具有引領新興產業發展潛力的前沿技術。

2）我國的量子通信技術布局較早，發展較快，成果也更為顯著。早在1995年，中科院物理所便在實驗室內完成了我國首個的量子密鑰分發實驗演示。在其后，我國先后成立了中國科學技術大學量子物理與量子信息研究部、中國科學院量子技術與應用研究中心和中國科學院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心。這些研究中學的成立將會進一步推進我國量子通信技術領域的技術進步，使我國的量子通信技術研究始終走在全球前列。

“墨子號”衛星的發射僅僅是開始，在未來更多的量子衛星將會發射升空，進一步為我國建立洲際量子通信，乃至全球量子通信網絡。

3結論

隨著量子衛星的成功發射，未來我國將建立完備的量子通信領域科研和實驗體系。作為高新科學技術的代表，量子通信技術的發展是衡量一個國家科學技術進步的標志。現階段，我國在量子通信技術領域己達到國際先進水平，為下一步建立全球化的廣域量子通信網絡提供了堅實的理論基礎。在很長一段時間內，我國將引領全球量子通信技術的發展，“墨子號”衛星的成功發射是成功也是挑戰。我相信，在不久的將來量子通信網絡的建立將會對人們的生產生活帶來極大的改變和積極影響。