铁流：中国发射“墨子”，外国专家如何评价

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　　2016年8月16日凌晨1：41，备受瞩目的中国首颗量子科学实验卫星“墨子”在酒泉成功发射升空。中国发射全球首颗量子卫星，这不仅仅是中国迈出构建量子通信网络的第一步，也是一个非常好的用于做远距离纠缠分发和量子隐形传态的基础科学研究的平台，为探索自由空间量子通信技术打下良好的基础。
　　量子通信卫星有何独到之处

　　相对于传统的通信卫星，量子通信卫星最大的特点就是安全性。传统的通信方式往往在传输介质和加密数据上做文章，但道高一尺魔高一丈，黑客攻击和网络窃听技术同样发展迅速，传统的数字计算加密方法都是可以破译的，只是时间长短的问题而已。而量子通信则可以从根子保障信息安全。

　　广义地说，量子通信是指利用量子比特作为信息载体来传输信息的通信技术。量子通信内涵很广泛，量子隐形传态、量子密钥分配等都属于量子通信。

　　量子隐形传态是一种传递量子信息（例如以量子叠加态编码的信息）的技术。它首先要在信息传递的“本地”和“远方”两地间建立量子纠缠，将要传递的“目标量子信息”与量子纠缠的本地方进行测量，远方的纠缠量子状态随即改变，即可将远方的量子态重构成为“目标量子信息”。在这个过程中原先携带“目标量子信息”的物理载体却留在原处，不必被传送。

　　量子密钥分配则是利用单个光量子不可分割和量子不可克隆原理这些量子世界的奇特性质——对于一个未知状态的单光子，要想精确复制它的状态是不可能的，这称为量子不可克隆原理。正是单个光量子具有不可分割和量子不可克隆的特性，可以为我们提供一种新型的安全通信方式，称为量子密钥分发或量子保密通信。现在已经商业化的量子通信的技术是量子密钥分配，用来传递密钥、分发密钥，保障信息安全，量子隐形传态目前还不能商用。由于量子密钥分配是目前最接近实用化的量子信息技术，也是人类目前掌握的唯一的无条件安全密码技术，日常提到量子通信时常常特指量子密钥分配。

　　在量子通信过程中，发送方和接收方采用单光子的状态作为信息载体来建立密钥，而且这种通信方式是绝对安全的。量子通信称为“窃听者”的噩梦，能够完全保障信息安全。

　　现在主要的窃听方式有三种：第一种方法是将单光子分割成两部分，让其中一部分继续传送，而对另一部分进行状态测量获取密钥信息。但由于单光子不可分割，因此这是不可能的。

　　第二种可能的方法是窃听者可能希望截取单光子后，测量其状态，然后根据测量结果发送一个新光子给接收方。但由于窃听者不能精确地对光子的状态进行测量，她/他发送给接收方的光子的状态与其原始状态会存在偏差。这样，发送方和接收方可以利用这个偏差来探测到窃听者对光子的测量扰动，从而检验他们之间所建立的密钥的安全性。

　　第三种可能的方法是窃听者截取单光子后，通过复制单光子的状态来窃取信息。但按照前面所讲的量子不可克隆原理，未知的量子态不可能被精确复制。

　　因此，量子通信是基于量子力学的基本原理，无论是现在还是将来，无论破译者掌握了多么先进的窃听技术、多强大的破译能力，只要量子力学规律成立，由量子通信建立起的秘密就无法被破解。

　　量子的信息携带者光子在光纤中可以完成短距离传播，但超过一定的距离限度则会失去信号，因此就需中继器的协助。在地面上，我们可以使用量子中继和可信中继。但在自由空间，就必须借助量子通信卫星了，本次发射的“墨子”可以作为地面上两个实验站的中介，使其形成区域通信网络，并保障信息绝对安全。

　　研发量子卫星非一日之功

　　“量子实验卫星”凝聚了国内科研团队在自由空间（星-地）量子通信领域十多年的心血，远非一日之功可成。

　　2005年，潘建伟团队在国际上首次在相距13公里的两个地面目标之间实现了自由空间中的纠缠分发和量子通信实验，明确表明光量子信号可以穿透等效厚度约10公里的大气层实现地面站和卫星之间自由空间保密量子通信。

　　2007年，该团队在长城实现了16公里水平高损耗大气信道的量子态隐形传输，这是国际第一个远距离自由空间隐形传态实验，实现了四个Bell态的完全测量和主动幺正变换。这一实验和基于卫星平台的量子通信实验研究一起，为真正实现地面与卫星间的量子通信实验积累了相关技术经验。

　　2008年，该团队在上海天文台对高度为400公里的低轨卫星进行了星地量子信道传输特性试验，验证了星-地量子信道的传输特性，首次完成星-地单光子发射和接收实验。

　　2012年至2013年间，该团队实现了百公里自由空间量子态隐形传输和纠缠分发，并实现了星地量子通信可行性的全方位地面验证。这些研究工作通过地基实验坚实地证明了实现基于卫星的全球量子通信网络和开展空间尺度量子力学基础检验的可行性。

　　本次发射“墨子”，可以说是对过去技术探索的集大成之展现，凝聚这科研工作者十多年来的心血，也为将来远距离纠缠分发和量子隐形传态的基础科学研究铺设了一个良好的平台。
　　中国在量子通信产业化上处于国际领先水平

　　除了在自由空间（星-地）量子通信领域颇有建树外，中国在地面上的量子通信应用也非常重视，在发展可实用量子通信技术方面开展了系统性的深入研究，特别是在产业化预备方面一直处于国际领先水平。

　　2006年，潘建伟团队在有关国防部门的要求下开始开展量子通信装备预先研究项目。

　　2008年，该团队在合肥市实现了国际上首个全通型量子通信网络，并利用该成果为60周年国庆阅兵关键节点间构建了“量子通信热线”，为重要信息的安全传送提供了保障。

　　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。

　　2011年起，潘建伟团队承担了首个相关国防装备演示验证项目，为型号研制和最终装备奠定了技术基础。

　　2012年，该团队在合肥市建成了世界上首个覆盖整个合肥城区的规模化（46个节点）量子通信网络，标志着大容量的城域量子通信网络技术已经成熟。同年，该团队与新华社合作建设了“金融信息量子通信验证网”，在国际上首次将量子通信网络技术应用于金融信息的安全传输。

　　2012年底起，潘建伟团队的最新型量子通信装备在北京投入常态运行，为“十八大”、 纪念抗战胜利70周年阅兵等国家重大活动提供信息安全保障。

　　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。

　　目前，在建的“京沪干线”项目计划于2016年底建成连接北京、济南、合肥、上海等城域网络且全长2000多公里的量子保密通信线路，其将成为全球首个也是距离最远的广域光纤量子保密通信骨干线路。可以说，中国在量子通信产业化方面，正在国际上担当 “领跑者”的角色。

　　外国专家如何评价“墨子”

　　对于中国发射“墨子”，外国专家是如何评价的呢？

　　意大利帕多瓦大学光学和激光纳米技术教授Paolo Villoresi认为，“对于量子信息研究来说，地面上的量子通信应用进展迅速，但自由空间量子通信还很落后，所以卫星在太空中实现量子通信实验是一个巨大的进步。中国的量子空间卫星将为全球量子通信系统提供一个试验台。事实上，此次太空中有一些开放的实验项目我们是很感兴趣的。我想，空间量子通信最初可能有点像早期的人造卫星，比较笨拙——被称为‘无用的大块铁’，但一段时间后,就会变得像彩虹般有趣，提供很多有用的服务和信息。”

　　维也纳大学物理学教授Anton Zeilinger评论，“我们正在与QUESS（Quantum Experiments at Space Scale，空间尺度的量子实验）的团队进行合作，我们负责搭建欧洲的地面站。合作进行得很顺利。在我看来，中国和奥地利之间实现洲际量子密钥分发将是最有趣的。未来，全球范围的量子互联网必然包括地面网络连接和空间网络连接，而QUESS将首次提供洲际网络链接。这是首次实现全球尺度下的量子通信，是迈向未来量子互联网的重要一步。另外，它将提供迄今为止最大尺度的量子纠缠验证，未来如果运行顺利，它也一定会为相对论的验证提供重要信息。中国在基础量子实验及其应用领域都做得非常出色。在下一次量子革命中，中国无疑是一个主要参与者。”

　　诺贝尔物理学奖得主、伊利诺伊大学香槟分校物理学教授Anthony J. Leggett认为，“在太空上远距离地对量子力学的预测进行检验，我认为这将是非常有趣的一项试验。我特别感兴趣的是（即便在这颗卫星上无法实现），让人类观测员进行‘贝尔－EPR’的测试；假设他们的报告能够得出明确的结果，那么这就会为客观的定域性理论等此类问题的‘棺材’上钉上最后一根钉子。如果此次量子科学实验卫星上的实验能够获得成功，那么它肯定会为最终的‘量子互联网’打下坚实的基础。但量子互联网是否将成为未来全球通信的潮流？我认为，量子互联网是否会建立起来，这取决于国际社会是否认为这种系统的收益是否大于成本。”

　　笔者联系参与该项目的国内专家透露，“发射量子卫星，并实现量子卫星能够工作，主要是工程实现和控制技术的突破。量子卫星是一个平台，用来做远距离纠缠分发和量子隐形传态的基础科学研究，对量子物理的发展有重大推动作用；星地量子密钥分发是应用技术的验证，技术难点在于空间传输量子态的精确控制……量子科学卫星是一个平台，不是说发射了就万事大吉了，要用这个平台进行科学研究，得到地面上无法实现的结果才是目的。”

　　结语

　　根据8月8日，国务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》，量子通信和量子计算的重点科技项目——在发射全球首颗量子卫星后，中国还将陆续发射卫星，建成全球第一个实现卫星和地面之间量子通信的国家。今年下半年，京沪量子通信干道也将建成，届时国内将初步形成广域量子通信体系。按照规划，到2020年，中国将实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发，届时联接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。到2030年左右，中国将建成全球化的广域量子通信网络。相信在下一次量子革命中，中国会是一个主要参与者，甚至有可能成为引领者。