从量子卫星的发射谈对物理学发展的思考

郭岱乔

摘 要：探讨近代物理学的发展对量子技术应用的理论基石作用，说明量子通讯理论、优势、发展历史和前景展望，并从我国量子卫星发射中看出我国在量子通讯领域所具有的优势中进一步鼓舞物理学理论研究。

关键词：墨子号;量子卫星;量子纠缠;量子密钥;物理学

中图分类号： TN219            文献标识码： A            文章编号： 1673-1069（2016）30-100-2

0  引言

物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的一种自然科学，研究对象大至宇宙，小到基本粒子的质量、运动形式和规律等内容。量子卫星可谓是物理学中极大的天体物理和极小的量子力学理论的综合应用，意义重大。下面我想从2016年8月16日我国发射的全球首科量子科学实验卫星“墨子号”来谈谈对物理学中量子物理发展的一些思考。

1  “墨子号”的由来

作为全球三大古老逻辑体系之一的墨家逻辑中的经典著作《墨经》中提出的“光学八条”中描述了墨子对光线的认识，并成功设计了朴素的小孔成像实验，奠定了中国光学研究的基础，所以我国发射的全球首颗量子科学实验卫星被命名为“墨子号”以纪念墨子先生。

2  为何发展量子通信技术和通讯优势

我们知道，20世纪初，量子力学的基础知识刚刚被奠定的时候，它带给人们一种启示，虽然它会时常使人感到困惑，因为量子力学在微观世界里已经打败了经典力学古老的确定论，反复的讨论可能性、可能结果的叠加。

我们假设一个物理量存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子，所以我们常用量子去指一个不可分割的基本个体，例如“光的量子”是光的基本单位光子。当然，所有可量子化的物理量其最小单位是特定的，而不是任意值。20世纪的前一半时期许多物理学家将量子力学视为了解和描述自然的基本理论，发展出了量子光学、量子计算等不同专业领域来研究。

量子计算领域利用量子效应来控制和处理信息，它具有惊人的潜力，因为经典数据的二进制“比特”一次只能取一个值，而量子的“量子比特”能够在给定范围内代表任意及所有可能的取值：在被测量以前，它以所有的可能太的“叠加”形式存在。量子计算特别适合用于解决今天只能依靠“强力”处理器能力来解决的特殊问题—比如，几十个量子比特阵列就能够存储超过太字节（万亿）的传统数据量。[3]

因此发展量子通信技术的优势非常明显，前景广阔。

3  “墨子号”工作的理论基础

1917年G.Vernam提出了“一次一密”（One-Time Pad）密码体制[1][2]，C.E.Shannon于1949年用信息论证明了该密码体制是无条件安全的[1][2]，这是目前唯一被证明是绝对安全的密码体制。

由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗，如果能够在技术上实现纠缠光子再穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性，人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。此次发射的量子科学实验卫星完全由我国自主研发，突破了卫星平台、有效载荷、地面光学收发站等一系列关键技术，将在轨开展量子密钥分发、广域量子密钥网络、量子纠缠分发、量子隐形传态、星地告诉相干激光通信等科学实验。

潘建伟研究小组在2003年开始研究自由空间量子通信，他们在实验点制备出成对的纠缠光子，再利用两个专门设计加工的发射望远镜将容易发散的细小光束“增肥”后向东西相距13公里的两个实验站送出，两个接收端用同样型号的望远镜收集。

量子卫星和地球通信是双向的。卫星和地面站都拥有发射端和接收端。发射端包含单光子光源和光束整形系统，接收端包含单光子探测器和成像系统。光束整形系统和成像系统把点光源变成平行光并将其汇聚到焦点上。发射端和接收端是靠激光联系，它们之间有个大气层——它是目前较大的麻烦。

经过研究人员的种种努力，在如此远距离的传送中，虽有许多纠缠光子衰减，但仍有相当比例的“夫妻对”能存活下来并有旺盛的生命力，经单光子探测器检测，分居东西两地的光子“夫妻对”即使相距遥远仍能保持相互纠缠状态，携带信息的数量和质量能完全满足基于卫星的全球化量子通信要求。

在此基础上，研究小组进一步利用分发的纠缠光源进行绝对安全的量子保密通信。13公里不仅是目前国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离，也是目前国际上没有窃听漏洞量子密钥分发的最大距离。

4  我国量子通讯发展历史和量子卫星的前景展望

英国《自然》杂志中关于“量子太空竞赛”中指出：“在量子通信领域，中国用了不到十年的时间，由一个了不起的国家发展成现在的世界劲旅，中国将领先于欧洲和北美......”可见我国量子通讯发展速度飞快。1995年，中科院物理所吴令安小组在实验室内完成了我国最早的量子密钥分发实验演示。2000年，该小组又与中科院研究生院合作利用单模光纤完成了1.1公里的量子密钥分发演示实验。2002年至2003年间，瑞士日内瓦大学Gisin小组和我国华东师范大学曾和平小组分别在67公里和50公里光纤中演示了量子密钥分发。2006年，中国科学技术大学潘建伟团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了安全距离超过100公里的光纤量子密钥分发实验，2009年，该团队又在世界上率先将采用诱骗态方案的量子通信距离突破至200公里。2013年，潘建伟团队又在核心量子通信器件研究上取得重要突破，他们成功开发了国际上迄今为止最先进的室温通信波段单光子探测器，并利用该单光子探测器在国际上首次实现了测量器件无关的量子通信，成功解决了现实环境中单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患，大大提高了现实条件下量子通信系统的安全性。2016年8月16日我国发射的全球首科量子科学实验卫星“墨子号”这既是中国首个、也是世界首个量子卫星。

在我国，量子通信技术从基础研究向应用技术转化迈进，面对国际上科技巨头，如IBM、Bell实验室、德国西门子公司等都纷纷投入量子通信的产业化研究之时。我国将利用量子通信技术的产业化和广域量子通信网络的实现，作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，而量子密钥极有可能会进入普通家庭，服务于社会大众，成为电子商务、电子医疗、军事科技等各种电子服务的驱动器，为当今这个高度信息化的社会提供基础的安全服务和最可靠的安全保障。

我国未来还将发射多颗量子卫星，预计到2020年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，2030年左右将建成全球化的广域量子通信网络。随着量子通信网络的发展，量子通信将迎来巨大的市场。有人预测，国内量子通信短期市场规模在100亿至130亿元左右，长期市场规模将超过千亿元。

5  量子技术的应用对物理学发展的一些思考

量子通信技术的发展，基础是物理学理论的发展，笔者认为21世纪是要把微观和宏观整体地联系起来。这种结合对应用科技影响深远，我们回过头来看看，目前的科学发明在19世纪末都是很难想象的！没有20世纪初基础物理科学的发展，21世纪的科技应用和开发也无法迅速发展，那么，发展好当代物理理论研究应该对今后的技术发展产生深远影响。

参 考 文 献

[1] ASSCHE G V.Quantum Cryptography and Secret-key Distillation[M].New York：Cambridge University Press，2006.

[2] SCARANI V，et al.The Security of practical Quantum key Distribution[J].Rev.Mod.Phys.，2009，81（3）：1301-1350.

[3] （英）斯帕罗（Sparrow，G.）著，孙正凡译.物理速览：及时掌握的200个物理知识[M].北京：人民邮电出版社，2014.