►现实增强技术（AR）解释量子卫星。视频时长3分23秒

从原理到应用

深度解读中国首颗量子科学实验卫星

撰文 | 林梅（中国科学技术大学物理学博士）

责编 | 陈晓雪

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“如果能弄明白为什么会有量子纠缠，我立即死都愿意。”中国科学技术大学物理学教授潘建伟不久前在央视《开讲啦》曾这样表示。

►潘建伟在央视《开讲啦》

20多年前，潘建伟因对量子力学着迷而选择了从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验的研究。

“墨子”的升空，在科学上将进一步检验量子力学基本原理。

在人类科学史上，可能没有一个学科像量子力学这样，几乎动用了近代所有物理学家的智慧，其本质仍在幽暗中闪烁，令人困惑。

“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”

说这话的人不是别人，是量子物理学大师级人物——尼尔斯·玻尔（Niels Henrik David Bohr）。

►尼尔斯·玻尔。来源：Wiki

在量子的世界里，盒子里的一只猫可以既死又活，直至我们打开盒子看看它；相距遥远的一对粒子可以存在“心灵感应”，一个粒子的状态随另一个瞬时变化。前者，我们叫它“量子叠加”，而后者，则是“量子纠缠”。

量子态叠加是指粒子可以同时处于不止一种状态的相干叠加。例如，同一时刻，电子自旋方向可以既是顺时针又是逆时针，或者原子同时处于激发态和基态[2]。而量子纠缠是指，两个微观世界的粒子可以具有某种状态上的关联，无论它们距离多远，只要其中一个被测量到处于某种状态，另一个也会在同时塌缩到某种状态。

量子世界里这两种带有神秘色彩的性质让无数物理学家为之着迷。在探寻其本质的道路上，世界上最顶尖的大脑共同推动着量子物理革命的发生，经典物理的大厦轰然倒塌。人类花了百年的时间，试图探究量子世界的图景。

1 量子密钥的应用

科学家现在还无从得知量子叠加的机制，但这一现象早已被实验证实并走向应用，其中，量子密钥是发展最为迅猛的一个。

在人类的通信史上，信息传递得更快、更远、更安全、更高效，一直是人类追求的方向。而以量子理论为基础的量子通信技术，以其绝对的保密性能，被看作是未来保障信息安全的有力工具。

所谓密钥，顾名思义，就是用来加密和解密的密码本，我们可以想象成用来加锁和解锁的钥匙。

在传统的密码学中，采用的密钥有两种——公钥和私钥。私钥是一种对称密钥——加密的人和解密的人用同一套密码，好比加锁和解锁的人用同一把钥匙。这种方法有一个致命缺陷，那就是即使不惜耗费资源，一次一密，也很难保证这把钥匙半路不被人偷看、复制。所以，在实际应用中，公钥是更普遍的选择，它是一种非对称密钥，加锁和解锁用的钥匙不一样，解密用的密码需要对公钥进行大数分解之类的复杂算法才能得到，也就是说，这种秘钥即使被窃听复制也没关系，它的安全性依赖于复杂的算法，理论上窃听者破解起来需要成千上万年。

但是随着窃听者计算能力的提高，特别是量子计算机一旦成为现实，这些复杂的算法破解起来很可能易如反掌。怎么办？有量子计算机，就有量子密钥。

与传统私钥不同的是，量子密钥的密码本再也偷不走，因为这种密码本是由微观量子态表示的量子密码。

根据量子物理的基本原理，微观量子态不可分割、不可克隆，就比如盒子里那只既死又活的猫，你一旦打开盒子看，猫就要么死要么活，再也不是原先那种既死又活的状态了，这一性质从原理上保证了量子密钥的安全性。

以著名的BB84协议[3]为例，信息的发送方发送一个个单光子给接收方，接收方收到光子后，逐个进行测量。对于微观量子态来说，测量方式会影响测量结果，接收方只有用与发送方一致的测量方式，才能得到与发送方一致的结果。所以，接收方将接收每一个光子时的测量方法告诉发送方。发送方通过对比，保留下与自己测量方式相同的那些光子，告诉接收方，这就形成了量子密钥。根据不可克隆原理，如果有人中途对光子进行拦截和测量，会改变光子的状态，窃听行为也就无法得逞。

因此，到目前为止，量子通信实际上指的就是量子密钥分配技术，也就是传送密钥。对通信双方来说，只要交换并确认共享了绝对安全、且随时可以更换的密钥，再用此密钥对数据进行加密，那么即使在普通网络上传送理论上也是绝对安全的。

当然，原理上的绝对安全不意味着实现起来完全没有漏洞，实际使用中，光子源品质好坏、探测器效率高低等等，都可能成为攻击者的目标。但这些都是技术层面上的问题，只要量子力学依然奏效，量子通信的绝对安全就值得期待。

2 星地量子通信与全球量子通信网络

因为全球光纤网络的飞速发展，基于光纤技术的量子通道是最容易建立的。但人们很快发现，光纤的衰减效应成为量子通信技术向远距离发展难以逾越的门槛。

在经典通信下，光纤信号的衰减可以通过放大器件进行放大后传输，只要建立好中继站，光纤网络便可以遍布全球。但到了量子通信，由于信息载体是单个的光子，量子的不可复制性也决定了单光子的信号是不可放大的，由于光纤固有的光子损耗，光量子传输很难更远距离拓展。

基于自由空间[4]的量子通信技术则成为当前实现全球量子通信网络的一个最优选择。

考虑到地球曲率、传输距离、大气、天气等影响，在地球表面，100公里级别的自由空间的量子密钥分发几乎已经是极限，于是，基于低轨卫星中转的量子通信可谓实现目标的最佳方案。

外太空的真空环境对光的传输来说是最好的媒介，几乎不存在大气引起的衰减和退相干效应，利用卫星作为中转平台，科学家们可以在地球上的任意两点之间建立起量子信道，极大地扩展了光子的传输距离。

理论上，只要我们能够实现将光子传出大气层，配合星载平台技术和光束精确定位技术，就有可能实现真正覆盖全球的量子通信网络。

3 中国首颗量子卫星

由中国科学院院士潘建伟担任首席科学家的中国首颗量子科学实验卫星，8月16日凌晨在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭发射至高度为500公里的预定轨道，卫星有效载荷包括量子纠缠源、量子纠缠发射机、量子密钥通信机和量子实验控制与处理机，共同完成纠缠光子的生成、发送、地面通信以及实验控制。

►广域量子通信网络。来源：qnet.ustc.edu.cn

同时，地面建设有四个量子通信地面站（南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站）和一个空间量子隐形传态实验站（阿里量子隐形传态实验平台），在中国科学技术大学的量子科学实验卫星控制中心的指挥和调度下，完成四项重要的科学实验：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、地星量子隐形传态实验。

►地星量子隐形传态。来源：qnet.ustc.edu.cn

其中，四个量子通信地面站主要参与量子密钥分发和量子纠缠分发，前者需要借助高精度的捕获、跟踪、瞄准系统，在地面与卫星之间建立超远距离的量子信道，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试验，并在此基础上，与光学地面站及其附属的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；而后者，则需要卫星上的量子纠缠光源同时向两个地面站分发纠缠光子，在完成量子纠缠分发后，对纠缠光子同时进行独立的量子测量。通过对千公里尺度上量子纠缠态的观测，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

而西藏阿里站的主要任务是配合卫星一起进行量子隐形传态研究。该实验将在量子存储的帮助下，探索卫星与地面之间真正意义远距离量子隐形传态的可行性，在类空间条件下完成量子力学非定域性的实验检验。

►西藏阿里地面站。来源：qnet.ustc.edu.cn

另外，卫星在轨还将首次进行洲际量子密钥分发，卫星产生成对纠缠态光子，并将它们中的一方发送至位于北京和维也纳的地面站，进而生成密钥，连接中国和欧洲的量子通信网。

但是，在太空进行这些实验难度相当大，地面站和在轨的卫星进行通信，需要根据卫星轨道和望远镜的天文指向，在地面站和卫星之间建立一个链路，地面站跟瞄要达到相当高的精度，才能建立捕获并维持稳定的链路对准，完成量子通信。在卫星高速飞行的同时，如何保证卫星上的两个激光器同时瞄准相距遥远的两个地面站，并同时传输密钥？这种卫星与两个地面站的高精度跟瞄在国际上也属首次。此外，近衍射极限量子光发射、高保偏量子信号的偏振调制、高品质的纠缠光子源等等，都是这颗卫星的技术法宝。因此，这颗卫星带上天的是科研团队多学科、长时间在量子密钥分发、多光子纠缠、量子隐形传态等方面技术水平的集中体现。

4 “天地一体化”网络初步建成

中国此次发射的量子卫星主要任务是将地面上的量子纠缠实验“搬到”外层空间，即通过连接地面上的量子通信网，完成星地量子保密通信、星地量子纠缠分发、星地量子隐形传态等实验。

可以说，这颗量子卫星肩负着科学和技术的双重使命。

从科学的角度说，量子纠缠和量子隐形传态，是量子力学领域当中最“诡异”的现象，连爱因斯坦也为此困扰，称之为“幽灵般的超距作用”。虽然量子通信体系速度无法突破光速，但两个遥远纠缠粒子之间的“非局域”关联，仍不时地试探着相对论的边界。此次卫星在轨，就是首次在大尺度的空间对量子理论进行相关检验，即验证纠缠光子分开千公里的尺度后，是否依然保持纠缠特性，并千公里的尺度上通过测量贝尔不等式，检验量子力学基本原理。

而从技术的角度，卫星在轨的重要实验目标就是完成星地量子保密通信。这是目前世界唯一的星地量子信道，下一步，通过卫星将地面站、地面光纤网络及其他地面终端连接，如果运行顺利，天地一体化的量子通信网络将初步成为现实，人们有望实现全球量子密钥初步业务化运行。

完整的空地一体广域量子通信网络体系的构建，在国防、政务、金融和能源等领域将率先加以广泛应用，与经典通信网络进行连接，形成具有国际引领地位的战略性新兴产业和下一代国家信息安全生态系统。

值得一提的是，“墨子”卫星的此次洲际量子密钥分发演示，也为国际同行开放了天地一体化实验平台。国内外同行均可申请使用卫星与自建地面站开展各种方案的星地量子密钥分发和提取的关键技术研究。

5 展望“全量子时代”

若要通过星地量子广域网的方式实现覆盖全球的量子通信，一个可以预见的方案是：地面的局域网（比如实用化城域光纤量子通信网络）可以利用量子中继技术建立并实现传输和覆盖，而在两个区域之间利用卫星实现自由空间光量子传输和卫星平台的中继，从而实现两个分隔遥远的地面光纤网络的相互联通。

更进一步，未来若发射更多的量子通信卫星，空间卫星有望形成网络，那时基于卫星网络的全球化量子通信可能成为现实。通过卫星组网，可以有效突破地影区限制，星载量子存储、星间量子中继、超远距离量子纠缠分发都可以通过卫星网络实现。

我们甚至可以大胆想象，有一天，互联网将以量子计算机作为节点，通过量子信道进行连接，量子网络中传送的信息大部分不再是经典的0或1，而是由量子态，高效率的量子计算配合高保密的量子通信，“量子互联网”得以实现。

虽然距离这一天还有很长的路要走，但是当那一天到来的时候，我们的下一代回望过去也许会感叹，自全球首颗量子卫星“墨子”号升空始，基于卫星的全球化量子通信网络建成后，锦江春色，玉垒浮云，全世界的通信格局得以深刻改变。

参考注释：

[1]贝尔不等式：1964年贝尔提出了一个强有力的数学不等式。该定理在定域实在性的假设下，对于两个分隔的粒子同时被测量时其结果的可能关联程度建立了一个严格的限制。这个不等式，可以用实际实验测量来对比定域实在论与标准量子物理的不同预测。人们可以设计实验，测量贝尔不等式中某些要求的参数。如果测量结果符合贝尔不等式，那么就证明定域实在论是正确的，量子物理理论不完备，微观世界中的量子行为有某些我们尚且不知道的隐变量；如果测量结果不符合贝尔不等式，则量子物理理论是完备的，不能简单地用隐变量的理论来解释量子现象，定域实在论是不正确的。

[2]基态与激发态：原子或分子处于最低能级，电子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫基态。原子或分子吸收一定的能量后，电子跃迁到较高能级但尚未电离的状态，叫做激发态。

[3]BB84量子密码协议是第一个量子密码通信协议,由美国科学家Charles Bennett和加拿大蒙特利尔大学科学家Gilles Brassard于1984年创立，属于量子密钥分发的范畴，它基于单粒子载体，易于实现，安全性已被严格证明，是唯一被商业化实现的量子密钥分发协议。

[4]指通过大气而不是光纤传送光信号的光通信系统。“自由空间”意指空气，外空间，真空或类似的空间。