2016年8月16日1時(shí)40分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空。新華社記者 金立旺/攝

傳一封密信，只讓天知地知、你知我知，這很可能不再只是一句承諾，因?yàn)榱孔有畔⒖茖W(xué)的發(fā)展正逐漸將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

盡管信息安全還牽涉不少人為的因素，但在科學(xué)家看來(lái)，量子信息科學(xué)至少能夠在硬件上將“泄密”的可能性降到最低，甚至抵達(dá)一種“絕對(duì)安全”的地步。

正如量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（以下簡(jiǎn)稱“量子衛(wèi)星”）首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉院士所說(shuō)，斯諾登事件告訴我們，在傳輸線路中可以進(jìn)行光纜的無(wú)感竊聽，黑客的攻擊無(wú)所不在；而量子通訊，是目前人類唯一已知的無(wú)條件安全的通信方式，根據(jù)量子理論可從根本上解決通信安全的問(wèn)題。

今天凌晨，我國(guó)成功發(fā)射的全球第一顆量子衛(wèi)星，就是科學(xué)家向“無(wú)條件安全通信”的目標(biāo)而邁出的重要一步，這意味著我國(guó)將在世界上率先實(shí)踐量子通信。中國(guó)青年報(bào)·中青在線記者在發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)采訪相關(guān)專家對(duì)此進(jìn)行解讀。

量 子

——不可分割的最基本單元

這一切都要從量子說(shuō)起。何謂量子？它和原子、電子、中子這些客觀存在的粒子一樣，也是某一種物質(zhì)實(shí)體嗎？

答案是否定的。量子不是一種粒子，而是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可分割。所有人們所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。

那么，既然世界是由微觀粒子組成的，從某種意義上來(lái)說(shuō)，世界本身也就是由量子組成的。以光為例，是由一個(gè)個(gè)“光量子”所組成的，一個(gè)“光量子”的能量就是光能量變化的最小單位。

可別小看這個(gè)最基本的單元，它有著一個(gè)可以挑戰(zhàn)人類傳統(tǒng)認(rèn)知的特性——量子疊加。

何謂量子疊加？潘建偉有一個(gè)相對(duì)通俗的解釋：經(jīng)典世界里可以用某個(gè)物體的兩個(gè)狀態(tài)代表0 或1，比如一只貓，或者是死，或者是活，但不能同時(shí)處于死和活的狀態(tài)中間。

但在量子世界，不僅有0和1的狀態(tài)，某些時(shí)候像原子、分子、光子可以同時(shí)處于0和1狀態(tài)相干的疊加。比如光子的偏振狀態(tài)，在真空中傳遞的時(shí)候，可以沿水平方向振動(dòng)，可以沿豎直方向振動(dòng)，也可以處于45°斜振動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象正是水平和豎直偏振兩個(gè)狀態(tài)的相干疊加。

這種所謂的量子相干疊加是量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別——著名的“薛定諤貓”形象地描述了這個(gè)佯謬。在經(jīng)典世界里，貓要不然是活的，要不然是死的，然而一只量子的貓卻可以處在“死”和“活”的疊加狀態(tài)上。

潘建偉說(shuō)，正是量子疊加狀態(tài)導(dǎo)致了量子力學(xué)的不確定原理，即如果事先不知道單個(gè)量子狀態(tài)，就不可能通過(guò)測(cè)量把狀態(tài)的信息完全讀取；不能讀取就不能復(fù)制。這是量子的兩個(gè)基本特性。在量子疊加原理基礎(chǔ)之上，衍生出了量子的另一個(gè)奇妙特性，叫做“量子糾纏”。

潘建偉打了一個(gè)比方：甲、乙兩人分處異地，兩人同時(shí)玩一個(gè)游戲——擲骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1／6 的概率隨機(jī)得到1到6其中的某一個(gè)數(shù)字；同時(shí)，乙在另一地?cái)S骰子，盡管兩人每一次單邊結(jié)果都是隨機(jī)的，但每一次的結(jié)果卻是一模一樣的，就好像是雙胞胎心靈感應(yīng)一樣。

這就是“量子糾纏”。

若兩個(gè)量子粒子處在特殊的狀態(tài)中，不管其空間分離得多遠(yuǎn)，當(dāng)對(duì)其中一個(gè)粒子施行操作或測(cè)量，遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)地發(fā)生相應(yīng)變化，愛因斯坦稱這個(gè)現(xiàn)象為“幽靈般的超距作用”。

這種“量子糾纏”的“分身術(shù)”，有一個(gè)最為直接的應(yīng)用，就是備受關(guān)注的量子保密通信。

量子通信

——目前唯一已知的無(wú)條件安全通信

當(dāng)前，被認(rèn)為最安全的信息傳遞方式是光纖通訊。光纜能把所有的光能限制在光纖里，外面得不到能量，所以這個(gè)傳輸被認(rèn)為是安全的。但隨著科技發(fā)展，只需讓光纜泄露哪怕很少一部分能量，外人就能夠竊聽光纜傳遞的信號(hào)。

潘建偉說(shuō)，這是因?yàn)榻?jīng)典通信的信號(hào)只有0和1，發(fā)生竊聽時(shí)，這兩種信號(hào)不會(huì)被擾動(dòng)。

比如說(shuō)，當(dāng)兩人打電話時(shí)，他人可通過(guò)竊聽器從通信線路中的上千萬(wàn)個(gè)電子中分出一些電子，使其進(jìn)入另一根線路，從而實(shí)現(xiàn)竊聽，而通話者無(wú)法察覺。“棱鏡門”等事件的曝光便是最好的例證。

量子通信則不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。潘建偉說(shuō)，這是因?yàn)槠涿荑€具有不可復(fù)制性和絕對(duì)安全性。一旦有人竊取密鑰，整個(gè)通信信息就會(huì)“自毀”并告知使用者。

他舉了一個(gè)例子：甲、乙二人要進(jìn)行安全通信，甲發(fā)出的光子信息狀態(tài)有水平、豎直、45°等，假設(shè)有人竊聽——

第一種方法是將單光子分割成兩部分，讓其中一部分繼續(xù)傳送，而對(duì)另一部分進(jìn)行狀態(tài)測(cè)量獲取密鑰信息。但由于單光子不可分割，因此這是不可能的。

第二種可能的方法是竊聽者希望截取單光子后，測(cè)量其狀態(tài)，然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果發(fā)送一個(gè)新光子給接收方。但由于竊聽者不能精確地對(duì)光子的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，所以發(fā)送給接收方的光子的狀態(tài)與其原始狀態(tài)會(huì)存在偏差。這樣，發(fā)送方和接收方可以利用這個(gè)偏差來(lái)探測(cè)到竊聽者對(duì)光子的測(cè)量擾動(dòng)，從而檢驗(yàn)他們之間所建立的密鑰的安全性。

第三種可能的方法是竊聽者截取單光子后，通過(guò)復(fù)制單光子的狀態(tài)來(lái)竊取信息。但按照量子不可克隆原理，未知的量子態(tài)不可能被精確復(fù)制。

因此潘建偉認(rèn)為，根據(jù)量子力學(xué)原理，無(wú)論怎樣，竊聽都可以被發(fā)現(xiàn)。一旦被發(fā)現(xiàn)，原有密鑰立即作廢。甲就可以把沒(méi)有被竊聽的密鑰傳送過(guò)去，利用產(chǎn)生的密鑰進(jìn)行“一次一密”完全隨機(jī)的加密。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性可以實(shí)現(xiàn)安全量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)不可破譯的保密通信。

換句話說(shuō)，無(wú)論破譯者掌握了多么先進(jìn)的竊聽技術(shù)、多強(qiáng)大的破譯能力，只要量子力學(xué)規(guī)律依然成立，由量子通信建立起的秘密就無(wú)法被破解。

這一套說(shuō)法的問(wèn)世，也重新點(diǎn)燃了建造“絕對(duì)安全”通信系統(tǒng)的希望。潘建偉說(shuō)，通向“絕對(duì)安全通信”這個(gè)千百年來(lái)人類夢(mèng)想大道的入口，在量子物理的指引下，又重新顯露在人們視野之中。

量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星

——率先向“絕對(duì)安全”的通信發(fā)起實(shí)踐

如今，量子信息“不可估量的前景”讓量子通信的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化成為包括歐盟、美國(guó)、日本和中國(guó)在內(nèi)的各個(gè)大國(guó)爭(zhēng)相追逐的目標(biāo)——

2008年，歐盟啟動(dòng)量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究，并成立“基于量子密碼的安全通信”工程，目前，歐盟計(jì)劃啟動(dòng)10億歐元的量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目，旨在建立極具競(jìng)爭(zhēng)力的歐洲量子產(chǎn)業(yè)。

美國(guó)同樣積極，其國(guó)防部支持的“高級(jí)研發(fā)活動(dòng)”計(jì)劃將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)；NASA也計(jì)劃在其總部和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之間建立一個(gè)直線600公里、包含10個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線，并計(jì)劃拓展到星地通信。

日本也提出了量子信息長(zhǎng)期戰(zhàn)略。日本國(guó)立信息通信研究院計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)量子中繼，到2040年建成極限容量、無(wú)條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。

中國(guó)也在發(fā)力。2013年，中科院設(shè)立了量子衛(wèi)星戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)計(jì)劃，按照這一計(jì)劃，我國(guó)量子通信技術(shù)發(fā)展分三步：一是通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)絡(luò)；二是通過(guò)量子中繼器實(shí)現(xiàn)城際網(wǎng)絡(luò)；三是通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可覆蓋全球的廣域網(wǎng)絡(luò)。

此次量子衛(wèi)星的發(fā)射，開啟了第三步。

中科院國(guó)家空間科學(xué)中心主任吳季說(shuō)，量子衛(wèi)星需要在兩年的設(shè)計(jì)壽命中，完成星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)和地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)等4大任務(wù)，以期在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破，檢驗(yàn)量子力學(xué)完備性。

這些實(shí)驗(yàn)將通過(guò)我國(guó)自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備完成，它能夠產(chǎn)生經(jīng)過(guò)編碼的、甚至是糾纏的光子并發(fā)射到地面上，與之對(duì)接的地面系統(tǒng)則負(fù)責(zé)“接收光子”，這種光子的發(fā)射與接收被稱為“針尖對(duì)麥芒”。

這并不容易。量子衛(wèi)星工程常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇打了個(gè)比方：如果把光量子看成一個(gè)個(gè)1元硬幣，星地實(shí)驗(yàn)就相當(dāng)于要從在萬(wàn)米高空飛行的飛機(jī)上，不斷把上億個(gè)硬幣發(fā)射到地面上一個(gè)不斷旋轉(zhuǎn)的儲(chǔ)蓄罐里，這不但要求硬幣瞄準(zhǔn)精度，擊中儲(chǔ)蓄罐，而且要使得硬幣能夠準(zhǔn)確地、源源不斷地射入儲(chǔ)蓄罐細(xì)長(zhǎng)的投幣口。

“這就要求在飛行的過(guò)程中必須始終保證精確對(duì)準(zhǔn)，跟蹤要達(dá)到相當(dāng)高的精度，這也是國(guó)際上從來(lái)沒(méi)有人做過(guò)的?！蓖踅ㄓ钫f(shuō)。

最終，中國(guó)科學(xué)家成功研制出量子衛(wèi)星，潘建偉說(shuō)，這不僅是我國(guó)量子保密通信領(lǐng)域“殺手锏”技術(shù)研發(fā)的重大突破，實(shí)現(xiàn)了從跟隨創(chuàng)新到引領(lǐng)創(chuàng)新、從集成創(chuàng)新到原始創(chuàng)新的跨越，同時(shí)也是世界量子通信技術(shù)的重要?jiǎng)?chuàng)新，它有望使人類科技發(fā)展史上“最安全的通信手段”具備覆蓋全球的能力。

天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)

——向覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)沖擊

那么，為何我國(guó)能先于歐美發(fā)射量子衛(wèi)星？潘建偉說(shuō)，當(dāng)大多數(shù)人仍致力于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的原理性演示時(shí)，他們的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始思考如何能夠在太空中實(shí)現(xiàn)量子信息傳輸，并早在2003年就初步構(gòu)想了量子衛(wèi)星計(jì)劃——“在行動(dòng)上，我們并不落后于其他國(guó)家”。

如今，衛(wèi)星成功發(fā)射。不少門外漢經(jīng)常有一種誤讀，即衛(wèi)星上了天，就意味著關(guān)于量子衛(wèi)星的事情到此結(jié)束了，但事實(shí)上，對(duì)科學(xué)家而言，衛(wèi)星上天后，量子通信之路才剛剛開始。

“這不僅是因?yàn)榱孔有l(wèi)星需要在未來(lái)兩年做各種天地之間的實(shí)驗(yàn)，更是因?yàn)椋獙?shí)現(xiàn)全球化量子通信還需要長(zhǎng)期的努力，特別是需要多顆衛(wèi)星的組網(wǎng)?！绷孔有l(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師兼衛(wèi)星系統(tǒng)副總師、中國(guó)科大微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員彭承志說(shuō)。

彭承志認(rèn)為，在首顆量子衛(wèi)星發(fā)射成功、衛(wèi)星組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)得以突破后，中國(guó)還將發(fā)射多顆衛(wèi)星，計(jì)劃到2020年，實(shí)現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)，建成連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網(wǎng)；到2030年左右建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)潘建偉的設(shè)想，衛(wèi)星成功發(fā)射之后，同樣由他牽頭承擔(dān)的世界上第一條遠(yuǎn)距離量子通信保密干線“京滬干線”，也將于今年下半年開通。

屆時(shí)，一星一地，交相呼應(yīng)。

潘建偉說(shuō)，這兩大工程的配合，有望實(shí)現(xiàn)高速星地量子通信、并連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建成我國(guó)天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形，并最終將目標(biāo)設(shè)定為建立一個(gè)覆蓋全國(guó)甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。

潘建偉表示，隨著中國(guó)科技的迅猛發(fā)展，他相信量子通信將在不到10年的時(shí)間里輻射千家萬(wàn)戶?！捌谂卧谖矣猩辏苡H眼目睹以量子計(jì)算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯(lián)網(wǎng)的誕生?！彼f(shuō)。