解密全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”

劉愛華

8月16日凌晨1時40分，由中國科學家研制的全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空，立刻引發全球關注。

為什么說量子通信能實現“絕對安全”？

傳統的信息安全都是依賴于復雜的算法，只要計算能力足夠強大，再復雜的保密算法原理上都能夠被破解。而量子通信到底有什么“訣竅”，可以“防破譯”，實現絕對安全呢？

這就要從量子的特殊性“量子疊加”說起。量子，是構成物質能量的基本單元，是能量的最小攜帶單位，所有的微觀粒子（包括分子、原子、電子、光子）都是量子的一種表現形態。在經典物理世界里，物質的狀態可以用0和1來描述，非0即1；而在量子世界里，物質的狀態可以同時處于0和1的疊加狀態。

奧地利物理學家薛定諤曾經用著名的“薛定諤的貓”這一思想實驗來解釋量子的疊加性。實驗是這樣的：在一個盒子里有一只貓，以及少量放射性物質。之后，有50%的概率放射性物質將會衰變并釋放出毒氣殺死這只貓，同時有50%的概率放射性物質不會衰變，而貓將活下來。根據經典物理學，盡管外部觀測者只有打開盒子才能知道里面的結果，但是，在盒子里必將發生這兩個結果之一。在量子的世界里，當盒子處于關閉狀態，整個系統則一直保持不確定性的狀態。

量子疊加狀態導致了量子力學的不確定原理，即如果事先不知道單個量子狀態，就不可能通過測量把狀態的信息完全讀取，也就不能復制。對任意一個未知的量子態進行完全相同的復制過程是不可實現的，這被稱為“量子不可克隆原理”，從理論上保證了量子密碼的絕對安全。

“墨子號”升空有何重大意義？

先來看兩則曾經震動世界的新聞：2013年的棱鏡門事件，2015年《紐約時報》爆出美國國家安全局監聽谷歌、雅虎用戶通信信息一事，充分暴露出信息安全領域存在的隱患。然而這只是眾多信息安全泄露事件中暴露出的冰山一角，隨著計算能力的飛速提升，破譯數學密碼的難度也逐漸降低，信息安全隱患就像懸在各國安全領域的達摩克利斯之劍。

“墨子號”量子科學實驗衛星，顧名思義，就是用于量子實驗研究的衛星。當其他國家的量子實驗研究還只是停留在地面范圍時，中國的量子實驗研究已經“搬上太空”，率先跨入了“星地時代”。

澳大利亞《衛報》在報道“墨子號”成功發射的文章中指出，此次中國發射量子衛星將進行廣域量子密鑰網絡實驗、長距離的量子糾纏分發實驗，將有望實現遠距離的“防破譯”的通信，保證數字信息傳輸的安全性。

也就是說，一方面，從國家戰略層面來說，率先發射量子科學實驗衛星，意味著中國或將先于歐美擁有量子通信覆蓋全球的能力，從而實現量子通信技術的全球領跑，使我國在國際競爭中占領制高點，保障國家信息安全；另一方面，量子科學實驗衛星的發射也是我國綜合國力提升的具體體現，并將進一步對我國經濟發展產生巨大影響。

它的市場化應用前景如何？

實踐證明，此前量子力學的發展已經給人類生產生活帶來極大的好處，比如激光、半導體、核能等技術的利用與普及。

“墨子號”量子衛星首席科學家、中國科大常務副校長潘建偉院士認為，如果量子科學實驗衛星成功運行，中國將在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，并結合地面已有的光纖量子通信網絡，初步構建一個廣域量子通信體系。結合地面即將建成的“京滬干線”千公里級廣域量子通信骨干網絡，可以初步構建我國空地一體的廣域量子通信體系，為率先建成全球化的量子通信網絡奠定基礎。

有專家認為，量子通信代表了數據傳輸速度與安全的未來方向，是一座萬億級別的產業富礦。據估算，短期內量子通信產業規模即可達數十億元，而隨著網絡區域擴大及衛星量子通信網絡建設，未來市場空間將更為廣闊。