“墨子号”：夜空中最会保密的“星”

8月16日凌晨，伴随着世界首颗量子科学实验卫星在酒泉圆满发射成功，中国人的“飞天”梦想再次绽放，从此，浩瀚星空里也多了一份属于中国和世界的“量子”牵挂。

8月16日1时40分，备受瞩目的以“墨子号”命名的全球首颗量子科学实验卫星在酒泉成功发射升空。“墨子号”量子卫星成为浩瀚夜空中最亮的“星”，开启为期两年的太空科学旅程。

星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等多项科学实验任务是“墨子号”量子卫星的主要任务。业内人士指出，此次发射任务的圆满成功，将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。有媒体称，在这场“特殊的太空竞赛”中，中国“迈出了一大步”。

科学之路任重道远，量子世界迷雾重重，“第一颗量子卫星”的头衔来之不易。从最初的研制到发射，量子卫星承载了太多关注的目光与期许。那么，这颗举世瞩目的“新星”到底有多牛？技术实现难度又有多高？

信息安全的“终极武器”

量子科学对绝大多数人来说十分高冷。但当它与信息技术相连，就与我们每个人息息相关。当今社会，信息的海量传播背后也充斥着信息泄露的风险。而量子科学则为信息安全提供了“终极武器”。

在物理王国里，量子理论是一个“百岁的幽灵”，爱因斯坦也曾被它的“诡异”所困扰。在量子世界中，一个物体可以同时处在多个位置，一只猫可以处在“死”和“活”的叠加状态上;所有物体都具有“波粒二象性”，既是粒子也是波;两个处于“纠缠态”的粒子，即使相距遥远也具有“心电感应”，一个发生变化，另一个会瞬时发生相应改变……

正是由于量子具有这些不同于宏观物理世界的奇妙特性，才构成了量子通信安全的基石。在量子保密通信中，由于量子的不可分割、不可克隆和测不准的特性，所以一旦存在窃听就必然会被发送者察觉并规避。

“传统的信息安全都依赖于复杂的算法，只要计算能力足够强大，再复杂的保密算法都能被破解。量子通信能做到绝对安全，是由量子自身的特性所决定的，计算能力再强也破解不了，因此它是革命性的，可从根本上、永久性解决信息安全问题。”量子科学实验卫星首席科学家潘建伟院士说。

潘建伟形象地比喻，量子通信的基本特征就是利用微光世界的最小单元，比如15瓦的灯泡，每秒都会发射一些能量，如果用放大镜来看它是由小颗粒组成，大概每秒钟可以释放百亿个小颗粒。如果在量子通信中将这种小颗粒用来做信号，就不能被分割成半个小颗粒，就像水分子一样，不能分成1/2个水分子。

量子保密通信能从三个方面保障信息安全。第一，发送者和接收者之间的信息交互是安全的，不会被窃听或盗取。第二，“主仆”身份能自动确认，只有“主人”才能使唤“仆人”，而其他人无法指挥“仆人”。第三，一旦发送者和接收者之间的传递口令被恶意篡改，使用者会立刻知晓，从而重新发送和接收指令。

“四种武器”挑战四大实验任务

8月17日，中科院遥感与数字地球研究所所属中国遥感卫星地面站密云站，在第二十三圈次成功跟踪、接收到了量子卫星“墨子号”的首轨数据。“墨子号”首轨任务时长约7分钟，接收到的数据量约为202MB，经验证，卫星数据质量良好。

据悉，“墨子号”量子卫星上搭载了自主研发的“四种武器”：量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子试验控制与处理机。同时，在地面建设了科学应用系统，包括1个中心——合肥量子科学实验中心;4个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站;1个平台——阿里量子隐形传态实验平台。

这颗量子卫星的寿命为两年，将完成四大任务：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和地星量子隐形传态实验。

潘建伟介绍，实验大致分为三类：第一类是进行卫星和地面之间的量子密钥分发，实现天地之间的安全通信;第二类相当于把量子实验室搬到太空，在空间尺度检验量子理论;第三类是实现卫星和地面千公里量级的量子态隐形传输。

但要完成“作业”并不轻松。目前，国际上还没有一个国家将量子科学实验送入空间，量子卫星的研制没有任何经验可循，过程充满了困难和挑战。

天地一体化连通：

从太空向地面存钱罐扔硬币

在量子通信中，最大的难点在于如何实现天地一体化的量子联通。这就好比在太空往地面的一个存钱罐里扔硬币，需要准确地将硬币投掷于储蓄罐的狭小入口。如果出现一点偏差，信息的传递便会功亏一篑。

“量子的编码就像计算机编码0101一样，有正负、垂直、水平等不同状态，要把量子的偏振方向检测出来，才能变成密码。”量子科学实验卫星常务副总设计师、卫星总指挥王建宇介绍，量子里面有两组状态，一组是正交的，一组是倾斜45度的，所以，一共有四个不同的偏正状态。

不仅如此，地面上的“存钱罐”（接收装置）和天空中的“投掷者”（量子卫星）也不安分，它们都在不停地旋转运动。

“这就是瞄准和检测偏正的最大难度所在，我们要在双方都处于运动状态的情况下完成信息传递。”王建宇强调，稍微对不上都不行，如果这样，地面上收到的就是误码。

据王建宇介绍，一旦误码率高于3.5%，信息传输就没有意义。“3.5%是个底线，通常我们会把误码率控制在1%至2%之间。”

探测器灵敏度：

在地球上看到月球的火柴光

如果说从太空向地面存钱罐扔硬币已经让人咋舌，那接下来的技术则更让人惊叹。

量子卫星采用的是单光子探测器，目的是实现对每一个光子的捕捉。这是一个什么概念？

“一个60瓦的灯泡每秒发射的光子数大约是1021，而一根火柴的最大光亮大约是3瓦至5瓦。”王建宇说，量子卫星探测器灵敏度相当于在月球上点根火柴，我们在地球上用望远镜可以看到它的亮光。

如果考虑到火柴点燃后光的扩散效应，其观测难度可想而知。“探测器的灵敏度必须达到这种程度，才能捕获来自太空中的一颗颗光子。否则，天上的量子卫星就没有存在的意义了。”王建宇说。

时间同步设置：

一秒钟给一亿个光子排排队

在太空中，量子卫星每秒钟大约向地面发射一亿个光子，需要地面接收装置对所有光子进行接收。然而，这个接收过程并非来者不拒，而是要讲究先来后到。

“我们必须知道每个光子是第几个发出来，信息传递要求发送端和接收端能对得上，要有一个完整的序列。”王建宇说。

将光子们一一对接的办法就是时间同步。“我们现在的接收频率能做到一个纳秒，也就是在一秒钟之内，把一亿个光子全都排列好。”王建宇介绍。

为何取名为 “墨子”

对于很多人来说，量子科学非常神秘，而世界首颗量子科学实验卫星命名为“墨子号”也让很多人迷惑不解——墨子不是先秦诸子百家中墨家的创始人吗，他跟量子有什么关系？

“墨子号”之得名，是为了纪念墨子在早期物理光学方面的成就，他最早提出过光线沿直线传播的观点，进行了小孔成像实验。“关于这颗卫星的命名，我们考虑了好久。”潘建伟说，最终命名为“墨子号”，缘起于已故著名教育家、中国科学技术大学教授钱临照。

钱临照作为老一辈光学、科技史研究者，早年对墨家经典著作《墨经》有过深入研究，他对《墨经》的研究发现被英国学者李约瑟获悉，后者对此惊叹不已。钱临照发现《墨经》中有不少与现代科学知识相通的记载，比如墨子在《墨经》中提出的“光学八条”。

“墨家逻辑是全球三大古老逻辑体系之一，而逻辑体系是科学的基础。”潘建伟说，墨子在两千多年前就发现了光线沿直线传播，并设计了小孔成像实验，奠定了光通信、量子通信的基础。

墨子的贡献还远不止于此，用一代宗师、中国思想史研究专家杨向奎先生的话来说：“墨子在自然学上的成就，绝不低于古希腊的科学家和哲学家，甚至高于他们。他个人的成就就等于整个希腊。”

“就像国外有伽利略卫星、开普勒望远镜一样，以中国古代伟大科学先贤的名字来命名全球首颗量子卫星，将提升我国的文化自信。”潘建伟说。

“量子星群”引领量子互联网时代

据专家介绍，量子卫星发射后，天地一体化量子科学实验系统将投入正式运行，而“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网工程预计今年下半年交付。

“大规模推广量子通信应用后，将极大提高人们信息传输的私密性和安全性。”潘建伟说，建好“量子互联网”后，人们不用再担心任何信息泄露，从而避免恶意攻击和欺诈行为。

信息安全从根本上需要解决的就是传输内容不被别人知道、保证接收者是和发送者对话，以及信息不被篡改。潘建伟说，仅仅发射一颗卫星是不够的，只有形成星座才能建构起网络，而且需要地面配置相应基础设施，确保网络联接到千家万户。

“比如，将来可以在手机中植入量子加密芯片，用来接收并存储密钥。”潘建伟描述了一幅未来场景，人们只需要将手机和量子密钥分发机连接，就能实现保密通信。“要走到这一步，还需要对网络基础设施进行改造，制定通信标准等，有望10年至15年内实现。”

得益于这种绝对安全性，量子通信不仅可以应用于百姓日常通信，也可用于水、电、煤气等能源供给和民生网络基础设施的通信保障，还可应用于国防、金融、商业等领域，势必对产业界和科技界产生巨大变革。（本刊综合）※

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