2016年8月16日：世界首顆量子科學實驗衛星成功發射的那一刻

2016年8月16日1時40分，由我國自主研制的、世界上首顆量子科學實驗衛星“墨子號”在酒泉用長征二號丁運載火箭發射升空。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：“墨子號”一舉突破了光量子的傳輸距離難以突破百千米級這一瓶頸，開創了利用衛星千千米傳送量子信息的先河。“墨子號”的成功發射，意味著我國量子通信技術已躋身全球領先地位。

為什么要發展量子通信技術

古往今來，人們對于信息加密的探索從未停止。科學發展到今天，基于計算復雜性的傳統加密技術被破譯的可能性與日俱增。量子通信是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，所以能保證加密內容不被破譯，可以從根本上保障信息安全、保護全人類的隱私。

我國基于光纖的城域和城際量子通信技術已走在世界前列，并在近幾年走向實用化和產業化。但是，由于光纖的固有損耗以及單光子狀態的不可復制性，點對點光纖量子通信的距離難以突破百千米量級。因此，要實現廣域乃至全球化的量子通信網絡，還需要借用衛星的中轉。“墨子號”正是在這種大背景下應運而生的。

“墨子號”完成了三大科學任務

“墨子號”自上天以來，在國際上第一次成功實現了千公里級的星地雙向量子通信，圓滿完成了星地量子糾纏分發、量子密鑰分發、量子隱形傳態三大科學任務。

星地量子糾纏分發是“墨子號”的三大任務之一。量子糾纏實驗非常難做，連愛因斯坦都感覺頭疼，稱它為“鬼魅般的超距作用”。由于量子糾纏非常脆弱，以往的量子糾纏分發實驗只停留在百千米的距離。這種“鬼魅般的超距作用”在更遠的距離是否仍然存在？會不會受到引力等其他因素的影響？中國的“墨子號”衛星實現了超越，成功在太空中進行了量子糾纏實驗。“墨子號”進行的太空量子糾纏實驗僅僅比量子地面通信衰減了萬分之一。

量子密鑰分發是“墨子號”的另一個科學任務。“墨子號”衛星同河北省的地面量子接收建立起通信聯絡線路。從“墨子號”軌道到地面1200千米的距離進行傳輸，星地量子密鑰的傳輸效率比地面的光纖傳輸效率高出1萬萬億倍。此外科學家利用“墨子號”衛星，在中國和奧地利之間首次實現距離達7600千米的洲際量子密鑰分發，并利用共享密鑰實現加密數據傳輸和視頻通信。該成果標志著“墨子號”已具備實現洲際量子保密通信的能力。

量子隱形傳態是“墨子號”的第三個任務。量子隱形傳態采用地面發射糾纏光子、天上接收的方式。衛星過境的時候與海拔5000多米的西藏阿里地面站建立光鏈路。阿里地面光源以每秒8000個量子隱身傳態示例，向墨子號傳輸光子。實驗的距離從500千米到1400千米，整個實驗取得了99.7%的成功。

星地量子糾纏分發和量子隱形傳態的實現，使人們可以利用量子糾纏所建立起的量子信道，構建起量子信息處理網絡的基本單元，同時也為未來開展大尺度量子網絡和量子通信實驗研究，以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的實驗檢驗奠定可靠的技術基礎。量子密鑰分發的實現，為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了堅實的技術基礎。以此為基礎，將衛星作為可信中繼，可實現地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發范圍擴展到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網互聯，可以構建覆蓋全球的天地一體化保密通信網絡。

我國成功實現了洲際量子保密通信

2017年9月29日，世界首條量子保密通信干線“京滬干線”與“墨子號”進行天地鏈路，我國科學家成功實現了洲際量子保密通信。這標志著我國在全球已構建出首個天地一體化廣域量子通信網絡雛形，為未來實現覆蓋全球的量子保密通信網絡邁出了堅實的一步。建成后的“京滬干線”，連接北京、上海，貫穿濟南和合肥全長2000余千米的量子通信骨干網絡，并通過北京接入點實現與“墨子號”的連接。“京滬干線”全線路密鑰率大于20千比特/秒，可滿足上萬用戶的密鑰分發業務需求，已實現北京、上海、濟南、合肥、烏魯木齊南山地面站和奧地利科學院6點間的洲際量子通信視頻會議。

我國量子通信未來發展前景

“墨子號”衛星的成功發射和在軌運行，將有助于我國在量子通信技術實用化整體水平上保持和擴大國際領先地位，實現國家信息安全和信息技術水平的提升，有望推動我國科學家在量子科學前沿領域取得重大突破，對于推動我國空間科學衛星系列可持續發展具有重大意義。

此外，量子通信將改變我們的生活。“墨子號”量子衛星首席科學家潘建偉認為：量子通信開始會應用于國防、金融、政務、科學研究等領域，但之后會在大眾中廣泛應用。量子通信的應用前景，就像電話的普及過程一樣，將逐步深入到千家萬戶。未來，每個人的家里、手機上或許都會有一個量子加密芯片，銀行轉款、電子賬戶等的涉密操作，再不用擔心被盜用和被攻擊。

（本刊記者）

【責任編輯】蒲 暉