太空耀眼的“科學之星”

錢航 劉莞爾

“墨子號”的使命

墨子號于2016年8月16日在酒泉衛星發射中心成功發射，2017年1月18日正式開展科學實驗。如今，墨子號已圓滿實現預定的三大科學目標，為中國在未來繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。

星-地量子密匙分發：

無法破譯的安全通信

通過量子特性產生的密碼在傳遞過程中不可能被破譯

星-地量子密鑰分發，保密通信核心是密鑰。密碼最容易被破譯的點是在密碼傳遞過程中。能不能制造出在傳遞過程中無法破譯的密碼？這聽上去似乎不太可能，但科學家非常巧妙地利用量子特性，認為通過量子特性產生的密碼，在傳遞過程中是不可能被破譯的。

在物理學上，是可以產生絕對安全的密鑰分發方法的。地面密鑰分發一般是通過光纖傳輸，而光纖傳輸是有損耗的，傳輸距離有限。因為其他的方法，密碼信號衰減了可以進行放大，但量子通信常用的方法是不能放大的，它必須要采用專門的量子中繼的辦法。如果通過衛星從天上往地面傳輸，這個密碼在全球任何地方都可以接收到。

量子糾纏分發：

“鬼魅般的超距作用”

量子糾纏

愛因斯坦將量子糾纏遠遠超出光速的現象稱為“鬼魅般的超距作用”，是兩個（或多個）粒子共同組成的量子狀態，無論粒子之間相隔多遠，測量其中一個粒子必然會影響其他粒子，這被稱為量子力學非定域性。量子糾纏所體現的非定域性是量子力學最神奇的現象之一。量子糾纏非常脆弱，會隨著光子在光纖內或地表大氣中的傳輸距離而衰減，以往的量子糾纏分發實驗只停留在百千米的距離。墨子號在國際上首次開展了在空間尺度上的量子糾纏分發實驗。

地星間量子隱形傳態：

信息傳輸的超越

量子是不可復制的，如果一個世界是不可復制的，則意味著它沒有辦法和外界交換信息。因此，物理學家認為量子世界里，一定有自己信息傳遞的方式。20世紀末，有科學家提出，如果量子糾纏是存在的，量子世界就可以利用糾纏來傳遞信息。

實現地星間量子隱形傳態是墨子號的又一科學目標。量子隱形傳態可利用量子糾纏將粒子的未知量子態精確傳送到遙遠地點，而不用傳送粒子本身。墨子號量子隱形傳態實驗采用地面發射糾纏光子、天上接收的方式。實驗通信距離從500千米到1400千米，所有6個待傳送態均以大于99.7%的置信度超越經典極限。

墨子號：閃亮的科技之星

墨子號的科學成就示意圖

墨子號取得的一系列科學實驗成果，獲得了國際社會的好評，并開啟了全球化量子通信時代之門。

2017年，中國和奧地利科學院的團隊進行合作。中國科學院白春禮院長和奧地利科學院利用在2017年10月正式開通的量子保密通信網絡進行了視頻通話，實現了洲際的量子保密通信。這一成果也被評選為2018年度國際物理學十大進展之一。

北京時間2018年1月31日晚，中國科學技術大學潘建偉教授領銜的墨子號量子科學實驗衛星科研團隊被授予美國2018年度克利夫蘭獎（Newcomb Cleveland Prize），以表彰該團隊通過實現千千米級星-地雙向量子糾纏分發推動大尺度量子通信實驗研究做出的卓越貢獻。這是克利夫蘭獎設立90多年來，中國科學家在本土完成的科研成果首次獲得這一重要榮譽。

墨子號衛星原本只有兩年壽命，如今依然在天上正常運行，助力中國科學家不斷地進行新的實驗，并開展更多的國際合作。

延伸閱讀

量子科學領域延伸出一個學科叫量子信息學，它可以解決三件事，一是量子通信，解決無條件安全的通信手段;二是量子計算，速度之快超乎想象;三是量子測量，這個測量可超越很多目前認知上的局限。

量子定位：GPS定位系統在我們的生活中運用得很多，但它會受到大氣環境的影響，精度就會受到限制。如果能夠借助一些量子糾纏的方法來進行傳輸，定位的精度就可大大提升。

量子雷達：量子雷達利用了量子力學的原理，通過發射和接收量子信號來探測目標。用量子雷達去探測隱形飛機，量子雷達會發射光子，對掃描區域內的物體進行成像，而物體在接收到光子信號之后，其量子特性會發生改變，進而量子雷達就能夠知道目標的位置。

量子計算：量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式。量子計算機擁有超強的計算能力，為密碼分析、氣象預報、石油探勘、藥物設計等所需的大規模計算難題提供了解決方案，并可揭示高溫超導、量子霍爾效應等復雜物理機制，為先進材料制造和新能源開發等奠定科學基礎。