无懈可击 滴水不漏墨子号引领星地量子通信

□ 杭添仁

无懈可击 滴水不漏墨子号引领星地量子通信

□ 杭添仁

2016年8月16日，我国墨子号量子科学实验卫星顺利升空。8月17日，中国遥感卫星地面站密云站成功跟踪、接收到量子卫星墨子号首轨数据，并将所接收的卫星数据实时传送至中科院国家空间科学中心。经验证，卫星数据质量良好。如果此后卫星在轨成功完成预定任务，我国将成为世界上首次实现卫星和地面之间量子通信的国家，并结合地面已有的光纤量子通信网络，初步构建一个广域量子通信体系，在世界上率先实现广域量子保密通信。

2016年8月16日，中国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星（简称“量子卫星”）发射升空。

奇妙特性

随着通信技术的广泛应用，通信安全与保密的重要性已引发各国政府以及广大公众的普遍关注。就目前和可以预见的将来来看，量子通信被公认是迄今为止唯一被严格证明能“无条件安全”的通信方式，从根本上永久性解决国防、金融、政务、商业等领域的通信安全问题。

那么，什么是量子呢？严格地讲，量子不是一种粒子，它是一个能量的最小单位。以光为例，一个光量子的能量就是光能量变化的最小单位，光的能量是以光量子的能量为单位一份一份地变化的。其他的粒子情况也是类似的。

超链接：幽灵般的超距作用

量子纠缠是关于量子力学理论最著名的预测。它描述了两个粒子互相纠缠，即使相距遥远，一个粒子的行为将会影响另一个粒子的状态。当其中一颗被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化。

大量实验现象表明，量子有两大“特异功能”：

一是叫量子叠加，即所谓“分身术”。它是指一个量子可以像孙悟空一样同时存在多种状态，只有在被观测或测量时，才会随机地呈现出某种确定的状态，因此，对物质的测量意味着扰动，会改变被测量物质的状态。在量子世界里，不仅有0和1的状态，某些时候像原子、分子、光子等可以同时处于0和1状态相干的叠加。比如光量子的偏振状态，在真空中传递的时候，可以沿水平方向振动，可以沿竖直方向振动，也可以处于45°斜振动，这个现象正是水平和竖直偏振两个状态的相干叠加。用这一功能可以完成量子保密通信等。

二是叫量子纠缠，即所谓“远程心灵感应”。它是指如果两个相似的量子距离足够近，就会发生纠缠，随后把它们分开无论多远，这两个量子的状态就像一对有心灵感应的双胞胎一样：一个开心，另一个也会笑；一个哭了，另一个一定也难过。用这一功能可以完成量子隐形传态等，即将甲地某一粒子的未知量子态，在乙地的另一粒子上还原出来。当隐形传输的量子态是一个纠缠态的一部分时，隐形传输就变成了量子纠缠交换。利用纠缠交换，可以将两个原本毫无联系的粒子纠缠起来，在它们之间建立量子关联。这一功能很诡异，其原因目前还搞不清楚。

此外，量子还有两个重要特性：不可分割、不可精确复制。利用量子这两个特性可以制作出最安全的密钥，让信息传输变得更安全。

量子通信是利用量子叠加和量子纠缠这两大“特异功能”，以及量子不可分割、不可精确复制这两个重要特性进行信息传递的新型通信方式，即把量子比特作为信息载体来传输信息。从广义地说，量子通信包括量子隐形传态、量子保密通信、量子密集编码等。但由于其中的量子保密通信是目前最接近实用化的量子信息技术，因此，通常提到的量子通信一般是指量子保密通信，即狭义上的量子密钥通信，它是通过量子信道实现密钥的高保密传递，密文本身仍然通过经典信道传送。

不用量子通信的方式传递全部经典信息的原因是：在目前和可以预见的未来，这样做的成本都太昂贵，并且可能反而效率低下、不够安全。因此，目前只利用量子通信来产生密钥，以便提高效率。只采用量子密钥分配还有一个好处——不需要大面积地改造现有的通信设备和线路。

超链接：墨子号日历

2009年12月，空间科学先导专项参加战略性先导科技专项实施方案评议会，并在16个建议专项中名列前三名。

2011年12月23日，量子科学实验卫星工程启动暨动员会在京召开，标志着量子科学实验卫星正式进入工程研制阶段。

2014年12月30日，量子科学实验卫星通过初样转正样阶段评审，正式转入正样研制阶段。

2015年12月6日，量子科学实验卫星系统与科学应用系统完成星地光学对接试验，验证了天地一体化实验系统能够满足科学目标的指标要求。

2016年2月25日，量子科学实验卫星工程完成大系统联试。

2016年8月16日凌晨1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星墨子号发射升空。

2016年8月17日11时56分24秒，中科院遥感与数字地球研究所所属中国遥感卫星地面站密云站在第23圈次成功跟踪、接收到我国首颗量子科学实验卫星墨子号首轨数据。

2016年9月1日，中国科学院院士、量子卫星首席科学家潘建伟透露，墨子号在完成前期基础测试后，将于9月15日左右开展相关科学实验，以完成事先预定的科学目标。

墨子号发射以后，如果效果达到预期，下一步还计划发射墨子二号、墨子三号。

2030年左右，中国力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络。在此基础上，构建信息充分安全的“量子互联网”，形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统。

未来，一个由几十颗量子卫星组成的“璀璨星群”，将与地面量子通信干线“携手”，支撑起“天地一体”的量子通信网。

2016年8月17日11时56分24秒，墨子号成功实现“天地握手”。图中红光为兴隆基地发射的，波长为671纳米，从地到天；绿光为墨子号量子卫星发射的，波长为532纳米，从天到地，彼此都能对准对方，以便之后的数据传输。这里的红、绿光并非用来做量子通信的光，是在进行量子通信前科学家用来在卫星和地面站之间建立物理联系的信标光。

防窃绝招

量子保密通信就是将量子密钥应用于（量子）通信中。所以，在量子通信过程中，其关键要素就是量子密钥。它是用具有量子态的物质作为密码，即发送方和接收方采用单个光量子的状态作为信息载体来建立密钥。

由于量子具有叠加性，可同时表示0和1，处于叠加态的量子比特能以量子纠缠的现象相互联系，即一个量子比特的行为能瞬间影响到另一个量子比特。这样的特性意味着窃听者不可能实现对一个未知量子比特的精确复制。因为一旦信息被人挟持，量子会自动发生变化，接收者也因此能察觉，而偷窥者也看不到原貌。

换句话说，量子通信是将信息编码加载到单个光量子叠加态的偏振方向上。在量子保密通信过程中，发送方和接收方都采用单个光量子的状态作为信息载体来建立密钥。由于单个光量子是光能量的最小组成单元，不能被再分割，所以在单个光量子发射的情况下，窃听者无法将单个光量子分割成两部分，让其中一部分继续传送，而对另一部分进行状态测量以获取密钥信息。又由于光量子不可被精确地复制，所以窃听者无论是对单个光量子状态进行测量或是试图复制之后再测量，都会对光量子的状态产生扰动，从而使窃听行为暴露。

传统通信信号只有0和1，发生窃听时这两种信号不会被扰动。量子通信则完全不会出现这个问题，这是因为量子信号有0、1、0+1、0-1等量子叠加态，而且这种叠加态不可复制，若要对单个光量子的状态进行复制，就要首先对其进行测量，但量子相干叠加决定了测量会对单个光量子的状态产生扰动，因此无法获得其状态的精确信息。量子信号一旦被窃听，量子叠加态就会受到扰动，有可能“塌缩”成另一个量子态。这样一来，通信双方能立即察觉并规避。

简言之，量子通信绝不会泄密，其一体现在量子加密的密钥是随机的，即使被窃取者截获，也无法得到正确的密钥，因此无法破解信息；其二，分别在通信双方手中具有纠缠态的2个粒子，其中1个粒子的量子态发生变化，另1个粒子的量子态就会随之立刻变化，根据量子理论，宏观的任何观察和干扰，都会立刻改变量子态，引起其坍塌，因此窃取者由于干扰而得到的信息已经破坏，并非原有信息。

量子隐形传态主要基于量子纠缠态的理论，需要传输的量子态信息如同科幻中描绘的超时空穿越，即具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，不需要任何载体携带，另外一个也会瞬间发生变化。在实验中，量子通信的接收处有一种特殊晶体，相当于一个记忆库，用来储存它的纠缠态光量子，并充当量子态的接收器。科学家已经在地球上成功做了以下实验，将两个纠缠光量子分开数千米，在数纳秒的间隔内测量它们的自旋。结果发现，如果测量发现它们其中一个自旋是+1，知晓另一个是-1的速度至少比以光速进行通信快10000倍。创造两个互相纠缠的光量子以后，哪怕将它们分开很远，也可以通过测量其中一个的状态来得知关于另一个的信息。所以，可以利用量子纠缠的特性实现与遥远恒星系统的通信。

具体来说，量子隐形传态的过程是这样的：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量，则接收方的粒子瞬间变化为某种状态，这个状态与发送方的粒子变化后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对变化的粒子进行幺正变换（相当于逆转变换），即可得到与发送方完全相同的未知量子态。

为了进行远距离的量子隐形传态，往往需要事先让相距遥远的两地共同拥有最大量子纠缠态。但是，由于存在各种不可避免的环境噪声，量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此，如何提纯高品质的量子纠缠态是量子通信研究中的重要课题。20多年来，潘建伟等中国科学家在自由空间量子纠缠分发和量子隐形传态实验方面不断取得国际领先的突破性成果，已从实现对单光量子的精确操纵到实现4光量子（2003年）、5光量子（2004年）、6光量子（2007年）、8光量子纠缠（2012年）……为基于卫星的广域量子通信和量子力学基础原理检验奠定了坚实基础。

量子科学实验卫星总设计师朱振才介绍量子卫星上的量子纠缠源，这是卫星上最重要的单机之一，主要负责产生纠缠光子。

优点多多

量子通信可以真正实现密码无法破译。它采用的是“一次一密”的工作机制，两人通话期间，密码机每分每秒都在产生密码，牢牢“锁”住语音信息；一旦通话结束，这串密码就会立即失效，下一次通话绝对不会重复使用，而且量子通信所提供的密钥无法被破解。

另外，量子通信可实现超光速通信。研究发现，即使将两个纠缠态亚原子粒子分隔到宇宙距离，它们之间的通信也几乎是即刻的。与传统光速通信相比，量子通信的线路时延为零，量子信息传递的过程不会为任何障碍所阻隔，所以完全环保，不存在任何电磁辐射污染。其原因是：被传输的未知量子态在被测量之前会处于纠缠态，即同时代表多个状态，例如一个量子态可以同时表示0和1两个数字，7个这样的量子态就可以同时表示128个状态或128个数字：0～127。光量子通信的这样一次传输，就相当于经典通信方式的128次。可以想象如果传输带宽是64位或者更高，那么效率之差将是惊人的。这种基于量子纠缠的量子隐形传态传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息。其携载的信息量很大，使一般的光纤网络和普通卫星网络只能望尘莫及，3G、4G甚至5G、6G网络也无法媲美。

超链接：奇异的量子纠缠

量子纠缠具有一种奇特的性质叫作非局域性，即相距很远的一对纠缠粒子，当对其中一个粒子进行测量时， 另一个粒子的状态也会瞬间坍缩。中国科学技术大学教授李传锋研究组已首次研制出非局域量子模拟器并模拟宇称—时间世界中的超光速现象，即让纠缠光量子对中的一个光量子在进行宇称—时间对称演化时，使信息以超过1.9倍的光速从一个实验室传输到另一个实验室。这一研究成果于2016年8月8日在线发表于《自然—光子学》。

这两个量子骰子是互相纠缠的，当你把其中一个掷出六点时，另一个也必定是六点。

量子通信也是超时空穿越的远距离通信。它属于隐形传输技术，与人类历史上此前已有的通信技术有着本质的差异。科学实验证实，量子隐形传态过程中穿越大气层的可能性，为未来基于卫星量子中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。量子隐形传态如同科幻小说中描绘的超时空穿越，量子在一个地方神秘消失，又在另一个地方瞬间出现。

量子通信还具有超高信道容量。信道容量是指信道在噪声环境下有效传输信息的能力，是通信领域最基本的问题。量子信道不仅可以传输经典信息，也能传输私密信息和量子信息，每种情况对应一个信道容量。

总之，与成熟的传统通信技术相比，量子通信具有以下主要特点：

一是保密性强。二是隐蔽性高，量子通信是一种完全无“电磁”的通信技术，现有的无线电探测系统无法对其进行探测。三是应用性广，量子既可在太空中进行通信，又可以在海底等恶劣条件下通信，还可以在光纤等介质中进行信息“传递”，可以应用到各种应用场景。四是时效性高，由于量子通信时延为零，能极大地提高通信速度。

由此可见，量子通信技术具有众多卓越的性能。以前对于这方面的研究更多是实验室阶段或者有也是军事方面的一些应用。但是随着近几年物联网的兴起与发展，对于通信的安全性方面有了更多的要求，因此物联网量子通信技术便得到了更多的重视。事实上无论是国内还是海外，量子通信技术都已经开始由实验室走向人们的日常生活。

魅力星光

虽然在光纤中可以实现城域量子通信网络，但由于光量子易被光纤吸收，存在固有的光量子损耗，与环境的耦合也会使量子纠缠品质下降，导致信号在光纤传送的过程中越来越弱，因此仅仅利用光纤难以实现远距离的量子通信。另外，近地面自由空间通道会受地面障碍物、地表曲率、气象条件的影响，光量子传输难以在地面自由空间中向远距离拓展。

解决这个问题有两种可行的途径：一种是利用所谓的量子中继，即把相距较远的通信线路分为数段，每一段的损耗因此较小，然后在量子中继的帮助下，把光子携带的信息一段段如同接力赛一样向前传递。另一种是自由空间单个光量子传输，这是由于大气对某些波长的光的吸收有限，到了外层空间则几乎没有光损耗，因此可以突破大气层通过卫星的中转实现数千千米甚至是全球化的量子通信。

所以，量子卫星通信是远距离光量子传输的必由之路，它能克服地表曲率、没有障碍物的阻碍；光量子在光纤中的损耗远高于自由空间的损耗，大气对光量子的吸收和散射远小于光纤，并能保持光量子极化纠缠品质。另外，受到地面条件的限制，很多地方无法铺设量子通信的专用光纤。因此想建设覆盖全球的量子通信网络，必需依赖多颗量子通信卫星。

发展量子保密通信技术的终极目标是构建广域乃至全球范围的绝对安全的量子通信网络。可通过光纤实现城域量子通信网络连接一个中等城市内部的通信节点；通过量子中继技术实现邻近两个城市之间的连接；通过量子卫星与地面站之间的自由空间光量子传输和卫星平台的中转实现两个遥远区域之间的连接。这些是目前条件下实现全球广域量子通信最理想的途径。

2012年，潘建伟等人在国际上首次成功实现百千米量级的自由空间量子隐形传输和纠缠分发，为我国发射全球首颗量子通信卫星奠定了技术基础。

我国墨子号的科学目标是进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

墨子使命

墨子号拟开展基于卫星平台的广域量子通信和量子力学基础原理检验。该项目借助卫星平台，寻求量子理论在宏观大尺度上的应用，使量子信息技术的应用突破距离的限制，促进广域乃至全球范围量子通信的最终实现；能在更深层次上认识量子物理的基础科学问题，拓宽量子力学的研究方向，对于量子理论乃至整个物理学的发展有着至关重要的意义。

该卫星质量约640千克，由长征-2D运载火箭发射，运行于500千米太阳同步轨道，轨道倾角为97.37°，设计在轨运行寿命2年。科学家们在地面上已在相距300千米的距离成功进行了量子纠缠实验，而墨子号量子科学实验卫星首次把这个实验带到外层空间，实现空间大尺度的量子纠缠分发和量子隐形传态实验，推进了人类对大尺度范围量子力学规律的认识，并带动我国量子物理整体水平大幅提升。

墨子号量子科学实验卫星工作示意图。量子密钥分发较简单，就是相当于我在卫星上，你在地面，我就给你发一连串的单个光量子下来，发到你手中，你就能把信号给解码出来，这个任务就完成了。此后，4个光学地面站可以来接收卫星下来的信号进行量子通信，那么在卫星的帮助之下，这4个地面站任何两两之间的地面站都可以实现一个安全的通信。

整个项目分为卫星和地面两大部分。在地面，项目已经完成了一系列关键技术测试；在卫星部分，发射后将完成三大任务：卫星和地面绝对安全量子密钥分发、验证空间贝尔不等式和实现地面与卫星之间量子隐形传态。这些实验通过我国自主研发的星地量子通信设备完成，它能够产生经过编码的、甚至是纠缠的光子并发射到地面上，与之对接的地面系统则负责“接收光子”，这种被称为“针尖对麦芒”的光子的发射和接收需要超高精度的瞄准、捕获和跟踪。

四大实验

墨子号量子科学实验卫星包括卫星平台和科学有效载荷两部分，采用卫星平台和有效载荷一体化设计，所以体积不大。科学有效载荷包括4个：量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源及量子实验控制与处理机。

在量子保密通信上海总控中心内，潘建伟院士演示实用化量子通信产品进行远距离保密通话。

墨子号通过这4个科学载荷，在广域范围开展量子密钥分发、广域量子密钥网络、量子纠缠分发和量子隐形传态4项科学实验。

星地高速量子密钥分发实验。其目的是在高精度捕获、跟踪、瞄准系统的辅助下，在实现地面与卫星之间建立超远距离的量子信道的基础上，进行卫星与地面之间、基于诱骗态和基于纠缠的量子密钥生成和分发，实现卫星与地面之间以量子密钥为核心的绝对安全的保密通信实验，从而为建立全球范围的量子通信网络打下技术基础。

量子密钥通信机：

主要功能是量子密钥产生发射、纠缠发射、量子光接收探测、信标光及同步光发射和捕获跟踪瞄准（ATP）等。

量子纠缠发射机：

主要功能是量子纠缠发射、量子密钥产生发射、信标光及同步光发射和大范围捕获跟踪瞄准。

量子纠缠源：

是星上纠缠光量子对的产生源头，也是纠缠分发实验核心。

量子实验控制与处理机：

主要功能是实现密钥分配实验的密钥基矢比对、密钥纠错和私密放大，最后提取最终密钥，此外实现纠缠试验的数据分析处理。

广域量子通信网络实验。这一实验将在实现高速星地量子密钥分发的基础上，与两个光学地面站及其附属的两个局域光纤量子通信网络相结合，通过卫星中转的方式组建真正意义的广域量子通信网络。

科学实验任务与系统配置对应表

星地量子纠缠分发实验。卫星上的量子纠缠光源同时向2个地面站分发纠缠光量子，在完成量子纠缠分发后，对纠缠光量子同时进行独立的量子测量，通过对千千米量级量子纠缠态的观测，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

地星量子隐形传态实验。该实验是在量子存储的帮助下，探索卫星与地面之间远距离量子隐形传态的可行性，研究争取在类空间条件下完成量子力学非定域性的实验检验。

应用系统

科学应用系统由1个中心（科学实验中心）、2套网（广域量子密钥应用平台）和5个站（4个量子通信地面站、1个空间量子隐形传态实验站）3部分组成。

乌鲁木齐南山站和青海德令哈站依托现有天文台新建量子通信地面站和两台口径1.2米的光学望远镜；北京兴隆和云南天文台依托现有的光学望远镜进行改造，建成量子通信地面站。

光学望远镜主要用于对星上量子光、信标光和同步光的接收，其包含的粗精跟踪单元能够实现对卫星的精确指向和跟踪，同时旁轴发射信标光，用于卫星载荷对地面站跟踪。

据悉，按照规划，我国在2016年发射首颗量子通信卫星，建设以4个量子通信地面站和1个空间量子隐形传态实验站为核心的空间量子科学实验系统后，还将发射更多卫星。到2020年，我国量子通信市场规模将达210亿元。随着量子通信在各领域的不断渗透，预计国内量子加密潜在市场规模有望达到500亿～1000亿元。到2020年还要实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发，届时连接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。到2030年左右，我国将建成全球化的广域量子通信网络。

另据有关专家在杂志撰文介绍，在2016年9月中旬我国发射的天宫-2空间实验室，将开展空-地量子密钥分配与激光通信实验。实验采用对光量子进行偏振态调制生成密钥，进行空对地传输、地面接收并解调提取信息。该方法经理论证明用于密钥分配是不可破译的。在我国未来的空间站上，也将装有量子和光传输研究设施。它用于开展量子科学研究，包括基于量子存储的量子隐形传态和量子中继、自由意志参与下的量子力学非定域性检验，开展空—地、空—空高亮度高保真纠缠量子分发和不同技术体制的高速激光通信实验研究，空—地传输距离大于1000千米，空—空传输距离大于45000千米，为开展实际应用的量子和激光通信技术进行示范演示。

（责任编辑 张恩红）

墨子号科学应用系统地理分布图