“墨子号”：夜空中最会保密的“星”

“墨子号”：夜空中最会保密的“星”

8月16日凌晨，伴随着世界首颗量子科学实验卫星在酒泉圆满发射成功，中国人的“飞天”梦想再次绽放，从此，浩瀚星空里也多了一份属于中国和世界的“量子”牵挂。

8月16日1时40分，备受瞩目的以“墨子号”命名的全球首颗量子科学实验卫星在酒泉成功发射升空。“墨子号”量子卫星成为浩瀚夜空中最亮的“星”，开启为期两年的太空科学旅程。

星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等多项科学实验任务是“墨子号”量子卫星的主要任务。业内人士指出，此次发射任务的圆满成功，将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。有媒体称，在这场“特殊的太空竞赛”中，中国“迈出了一大步”。

科学之路任重道远，量子世界迷雾重重，“第一颗量子卫星”的头衔来之不易。从最初的研制到发射，量子卫星承载了太多关注的目光与期许。那么，这颗举世瞩目的“新星”到底有多牛？技术实现难度又有多高？

信息安全的“终极武器”

量子科学对绝大多数人来说十分高冷。但当它与信息技术相连，就与我们每个人息息相关。当今社会，信息的海量传播背后也充斥着信息泄露的风险。而量子科学则为信息安全提供了“终极武器”。

在物理王国里，量子理论是一个“百岁的幽灵”，爱因斯坦也曾被它的“诡异”所困扰。在量子世界中，一个物体可以同时处在多个位置，一只猫可以处在“死”和“活”的叠加状态上；所有物体都具有“波粒二象性”，既是粒子也是波；两个处于“纠缠态”的粒子，即使相距遥远也具有“心电感应”，一个发生变化，另一个会瞬时发生相应改变……

正是由于量子具有这些不同于宏观物理世界的奇妙特性，才构成了量子通信安全的基石。在量子保密通信中，由于量子的不可分割、不可克隆和测不准的特性，所以一旦存在窃听就必然会被发送者察觉并规避。

“传统的信息安全都依赖于复杂的算法，只要计算能力足够强大，再复杂的保密算法都能被破解。量子通信能做到绝对安全，是由量子自身的特性所决定的，计算能力再强也破解不了，因此它是革命性的，可从根本上、永久性解决信息安全问题。”量子科学实验卫星首席科学家潘建伟院士说。

潘建伟形象地比喻，量子通信的基本特征就是利用微光世界的最小单元，比如15瓦的灯泡，每秒都会发射一些能量，如果用放大镜来看它是由小颗粒组成，大概每秒钟可以释放百亿个小颗粒。如果在量子通信中将这种小颗粒用来做信号，就不能被分割成半个小颗粒，就像水分子一样，不能分成1/2个水分子。

量子保密通信能从三个方面保障信息安全。第一，发送者和接收者之间的信息交互是安全的，不会被窃听或盗取。第二，“主仆”身份能自动确认，只有“主人”才能使唤“仆人”，而其他人无法指挥“仆人”。第三，一旦发送者和接收者之间的传递口令被恶意篡改，使用者会立刻知晓，从而重新发送和接收指令。

“四种武器”挑战四大实验任务

8月17日，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，在第二十三圈次成功跟踪、接收到了量子卫星“墨子号”的首轨数据。“墨子号”首轨任务时长约7分钟，接收到的数据量约为202MB，经验证，卫星数据质量良好。

据悉，“墨子号”量子卫星上搭载了自主研发的“四种武器”：量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子试验控制与处理机。同时，在地面建设了科学应用系统，包括1个中心——合肥量子科学实验中心；4个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站；1个平台——阿里量子隐形传态实验平台。

这颗量子卫星的寿命为两年，将完成四大任务：星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验和地星量子隐形传态实验。

潘建伟介绍，实验大致分为三类：第一类是进行卫星和地面之间的量子密钥分发，实现天地之间的安全通信；第二类相当于把量子实验室搬到太空，在空间尺度检验量子理论；第三类是实现卫星和地面千公里量级的量子态隐形传输。

但要完成“作业”并不轻松。目前，国际上还没有一个国家将量子科学实验送入空间，量子卫星的研制没有任何经验可循，过程充满了困难和挑战。

天地一体化连通：从太空向地面存钱罐扔硬币

在量子通信中，最大的难点在于如何实现天地一体化的量子联通。这就好比在太空往地面的一个存钱罐里扔硬币，需要准确地将硬币投掷于储蓄罐的狭小入口。如果出现一点偏差，信息的传递便会功亏一篑。

“量子的编码就像计算机编码0101一样，有正负、垂直、水平等不同状态，要把量子的偏振方向检测出来，才能变成密码。”量子科学实验卫星常务副总设计师、卫星总指挥王建宇介绍，量子里面有两组状态，一组是正交的，一组是倾斜45度的，所以，一共有四个不同的偏正状态。

不仅如此，地面上的“存钱罐”（接收装置）和天空中的“投掷者”（量子卫星）也不安分，它们都在不停地旋转运动。

“这就是瞄准和检测偏正的最大难度所在，我们要在双方都处于运动状态的情况下完成信息传递。”王建宇强调，稍微对不上都不行，如果这样，地面上收到的就是误码。

据王建宇介绍，一旦误码率高于3.5%，信息传输就没有意义。“3.5%是个底线，通常我们会把误码率控制在1%至2%之间。”

探测器灵敏度：在地球上看到月球的火柴光

如果说从太空向地面存钱罐扔硬币已经让人咋舌，那接下来的技术则更让人惊叹。

量子卫星采用的是单光子探测器，目的是实现对每一个光子的捕捉。这是一个什么概念？

“一个60瓦的灯泡每秒发射的光子数大约是1021，而一根火柴的最大光亮大约是3瓦至5瓦。”王建宇说，量子卫星探测器灵敏度相当于在月球上点根火柴，我们在地球上用望远镜可以看到它的亮光。

如果考虑到火柴点燃后光的扩散效应，其观测难度可想而知。“探测器的灵敏度必须达到这种程度，才能捕获来自太空中的一颗颗光子。否则，天上的量子卫星就没有存在的意义了。”王建宇说。

时间同步设置：一秒钟给一亿个光子排排队

在太空中，量子卫星每秒钟大约向地面发射一亿个光子，需要地面接收装置对所有光子进行接收。然而，这个接收过程并非来者不拒，而是要讲究先来后到。

“我们必须知道每个光子是第几个发出来，信息传递要求发送端和接收端能对得上，要有一个完整的序列。”王建宇说。

将光子们一一对接的办法就是时间同步。“我们现在的接收频率能做到一个纳秒，也就是在一秒钟之内，把一亿个光子全都排列好。”王建宇介绍。

为何取名为“墨子”

对于很多人来说，量子科学非常神秘，而世界首颗量子科学实验卫星命名为“墨子号”也让很多人迷惑不解——墨子不是先秦诸子百家中墨家的创始人吗，他跟量子有什么关系？

“墨子号”之得名，是为了纪念墨子在早期物理光学方面的成就，他最早提出过光线沿直线传播的观点，进行了小孔成像实验。“关于这颗卫星的命名，我们考虑了好久。”潘建伟说，最终命名为“墨子号”，缘起于已故著名教育家、中国科学技术大学教授钱临照。

钱临照作为老一辈光学、科技史研究者，早年对墨家经典著作《墨经》有过深入研究，他对《墨经》的研究发现被英国学者李约瑟获悉，后者对此惊叹不已。钱临照发现《墨经》中有不少与现代科学知识相通的记载，比如墨子在《墨经》中提出的“光学八条”。

“墨家逻辑是全球三大古老逻辑体系之一，而逻辑体系是科学的基础。”潘建伟说，墨子在两千多年前就发现了光线沿直线传播，并设计了小孔成像实验，奠定了光通信、量子通信的基础。

墨子的贡献还远不止于此，用一代宗师、中国思想史研究专家杨向奎先生的话来说：“墨子在自然学上的成就，绝不低于古希腊的科学家和哲学家，甚至高于他们。他个人的成就就等于整个希腊。”

“就像国外有伽利略卫星、开普勒望远镜一样，以中国古代伟大科学先贤的名字来命名全球首颗量子卫星，将提升我国的文化自信。”潘建伟说。

“量子星群”引领量子互联网时代

据专家介绍，量子卫星发射后，天地一体化量子科学实验系统将投入正式运行，而“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网工程预计今年下半年交付。

“大规模推广量子通信应用后，将极大提高人们信息传输的私密性和安全性。”潘建伟说，建好“量子互联网”后，人们不用再担心任何信息泄露，从而避免恶意攻击和欺诈行为。

信息安全从根本上需要解决的就是传输内容不被别人知道、保证接收者是和发送者对话，以及信息不被篡改。潘建伟说，仅仅发射一颗卫星是不够的，只有形成星座才能建构起网络，而且需要地面配置相应基础设施，确保网络联接到千家万户。

“比如，将来可以在手机中植入量子加密芯片，用来接收并存储密钥。”潘建伟描述了一幅未来场景，人们只需要将手机和量子密钥分发机连接，就能实现保密通信。“要走到这一步，还需要对网络基础设施进行改造，制定通信标准等，有望10年至15年内实现。”

得益于这种绝对安全性，量子通信不仅可以应用于百姓日常通信，也可用于水、电、煤气等能源供给和民生网络基础设施的通信保障，还可应用于国防、金融、商业等领域，势必对产业界和科技界产生巨大变革。（本刊综合）※

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“墨子号”大事记

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。