2016年8月16日：世界首颗量子科学实验卫星成功发射的那一刻

2016年8月16日1时40分，由我国自主研制的、世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉用长征二号丁运载火箭发射升空。此次发射任务的圆满成功，标志着我国空间科学研究又迈出重要一步：“墨子号”一举突破了光量子的传输距离难以突破百千米级这一瓶颈，开创了利用卫星千千米传送量子信息的先河。“墨子号”的成功发射，意味着我国量子通信技术已跻身全球领先地位。

为什么要发展量子通信技术

古往今来，人们对于信息加密的探索从未停止。科学发展到今天，基于计算复杂性的传统加密技术被破译的可能性与日俱增。量子通信是迄今唯一被严格证明为无条件安全的通信方式。量子不可分割、不可克隆，所以能保证加密内容不被破译，可以从根本上保障信息安全、保护全人类的隐私。

我国基于光纤的城域和城际量子通信技术已走在世界前列，并在近几年走向实用化和产业化。但是，由于光纤的固有损耗以及单光子状态的不可复制性，点对点光纤量子通信的距离难以突破百千米量级。因此，要实现广域乃至全球化的量子通信网络，还需要借用卫星的中转。“墨子号”正是在这种大背景下应运而生的。

“墨子号”完成了三大科学任务

“墨子号”自上天以来，在国际上第一次成功实现了千公里级的星地双向量子通信，圆满完成了星地量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态三大科学任务。

星地量子纠缠分发是“墨子号”的三大任务之一。量子纠缠实验非常难做，连爱因斯坦都感觉头疼，称它为“鬼魅般的超距作用”。由于量子纠缠非常脆弱，以往的量子纠缠分发实验只停留在百千米的距离。这种“鬼魅般的超距作用”在更远的距离是否仍然存在？会不会受到引力等其他因素的影响？中国的“墨子号”卫星实现了超越，成功在太空中进行了量子纠缠实验。“墨子号”进行的太空量子纠缠实验仅仅比量子地面通信衰减了万分之一。

量子密钥分发是“墨子号”的另一个科学任务。“墨子号”卫星同河北省的地面量子接收建立起通信联络线路。从“墨子号”轨道到地面1200千米的距离进行传输，星地量子密钥的传输效率比地面的光纤传输效率高出1万万亿倍。此外科学家利用“墨子号”卫星，在中国和奥地利之间首次实现距离达7600千米的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。该成果标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力。

量子隐形传态是“墨子号”的第三个任务。量子隐形传态采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式。卫星过境的时候与海拔5000多米的西藏阿里地面站建立光链路。阿里地面光源以每秒8000个量子隐身传态示例，向墨子号传输光子。实验的距离从500千米到1400千米，整个实验取得了99.7%的成功。

星地量子纠缠分发和量子隐形传态的实现，使人们可以利用量子纠缠所建立起的量子信道，构建起量子信息处理网络的基本单元，同时也为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究，以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定可靠的技术基础。量子密钥分发的实现，为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了坚实的技术基础。以此为基础，将卫星作为可信中继，可实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。此外，将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。

我国成功实现了洲际量子保密通信

2017年9月29日，世界首条量子保密通信干线“京沪干线”与“墨子号”进行天地链路，我国科学家成功实现了洲际量子保密通信。这标志着我国在全球已构建出首个天地一体化广域量子通信网络雏形，为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出了坚实的一步。建成后的“京沪干线”，连接北京、上海，贯穿济南和合肥全长2000余千米的量子通信骨干网络，并通过北京接入点实现与“墨子号”的连接。“京沪干线”全线路密钥率大于20千比特/秒，可满足上万用户的密钥分发业务需求，已实现北京、上海、济南、合肥、乌鲁木齐南山地面站和奥地利科学院6点间的洲际量子通信视频会议。

我国量子通信未来发展前景

“墨子号”卫星的成功发射和在轨运行，将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位，实现国家信息安全和信息技术水平的提升，有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破，对于推动我国空间科学卫星系列可持續发展具有重大意义。

此外，量子通信将改变我们的生活。“墨子号”量子卫星首席科学家潘建伟认为：量子通信开始会应用于国防、金融、政务、科学研究等领域，但之后会在大众中广泛应用。量子通信的应用前景，就像电话的普及过程一样，将逐步深入到千家万户。未来，每个人的家里、手机上或许都会有一个量子加密芯片，银行转款、电子账户等的涉密操作，再不用担心被盗用和被攻击。

（本刊记者）

【责任编辑】蒲 晖