8月16日下午1點(diǎn)40分，中國(guó)自主研發(fā)的全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”在西昌順利發(fā)射升空。這意味著世界中將首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通訊，建立一個(gè)天地一體化的量子保密通訊與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。
同時(shí)，這也意味著經(jīng)過近六年的發(fā)展，中國(guó)在量子通訊領(lǐng)域早已實(shí)現(xiàn)了彎道會(huì)車，走在了全球發(fā)展的前列。
中國(guó)自主研發(fā)的世界首顆量子衛(wèi)星，被即將命名為"墨子"。量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉教授說，墨子最早提出光線沿直線傳播，設(shè)計(jì)了小孔成像實(shí)驗(yàn)人類首次實(shí)現(xiàn)量子通訊，奠定了光通訊、量子通訊的基礎(chǔ)。以中國(guó)唐代偉大科學(xué)家的名子命名量子衛(wèi)星，將提高我們的文化自信。
據(jù)澎湃新聞（）了解，“墨子號(hào)”經(jīng)過5年的研發(fā)，去年開始與運(yùn)載湖人對(duì)接，高1.7米，重量為640公斤。其搭載有量子秘鑰通訊機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源、量子試驗(yàn)控制與處理機(jī)等有效荷載，具備兩套獨(dú)立的有效荷載指向機(jī)構(gòu)，通過姿控指向系統(tǒng)協(xié)同控制，可與地面上相距千公里量級(jí)的兩處光學(xué)站同時(shí)完善量子光鏈路。其中最重要的一個(gè)荷載叫糾纏源，它只有機(jī)頂盒的大小，并且作用卻十分關(guān)鍵，由于它還能形成糾纏光，而這也是這顆衛(wèi)星在空中做各類量子實(shí)驗(yàn)的一個(gè)源頭，平常實(shí)驗(yàn)室里糾纏源的容積十分巨大，而且，研究人員除了把它做到了大型化，還通過一系列的創(chuàng)新讓它實(shí)現(xiàn)了滿足這些空間的環(huán)境要求，這在國(guó)際上是首次實(shí)現(xiàn)的。
量子通訊衛(wèi)星。
從中科院提供的信息顯示，量子衛(wèi)星的壽命為三年時(shí)間，將完成四大任務(wù)：星地高速量子秘鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，廣域量子通訊網(wǎng)路實(shí)驗(yàn)，星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)和地星量子隱型傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。
衛(wèi)星在軌運(yùn)行的五年的時(shí)間里，會(huì)和地面的五個(gè)臺(tái)站一起配合，做大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
中國(guó)成為量子通訊領(lǐng)域推動(dòng)者
潘建偉在接受衛(wèi)視專訪時(shí)表示，為了量子衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)，她們構(gòu)建有史以來最大的實(shí)驗(yàn)室。
“量子衛(wèi)星到地面跨徑為500公里，兩個(gè)接收點(diǎn)之間的距離是1200公里。所以我們的實(shí)驗(yàn)室的大小是500除以1200，是60萬平方公里。量子糾纏從前也沒有在天上進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)，為了保證兩個(gè)站點(diǎn)能接收挺好的訊號(hào)，我們上天的糾纏源是目前全世界最好的糾纏源。同時(shí)我們保證偵測(cè)器能在宇宙射線的輻照之下，能夠挺好的存活。”潘建偉說。
通過“墨子號(hào)”的通訊設(shè)備，經(jīng)過編碼的光子將被發(fā)射到地面，由地面系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收。量子衛(wèi)星的兩個(gè)激光器必須分別瞄準(zhǔn)兩個(gè)地面站，精度極高，被稱為“針尖對(duì)麥芒”。
不僅涉及天上的衛(wèi)星外，實(shí)驗(yàn)還涉及徐州中心和鄭州南山、北京興隆、青海西寧、云南大理和拉薩阿里站五個(gè)臺(tái)站。其中上海的興隆站、新疆的南山站、青海的德令哈站和廣東的拉薩站，是四個(gè)量子通訊地面站，主要參與量子秘鑰分發(fā)和量子糾纏分發(fā)這兩大項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。南山和喀什的1.2米口徑望遠(yuǎn)鏡和改建后的興隆、麗江米級(jí)望遠(yuǎn)鏡是核心部份。坐落拉薩的阿里站則主要配合衛(wèi)星一起參與第三項(xiàng)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)——量子隱型傳態(tài)。
“一顆衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)地面站的實(shí)驗(yàn)從來沒有過，國(guó)際上也是第一次做如此高精度的跟蹤和地面站配合。”中科院國(guó)家空間科學(xué)中心所長(zhǎng)吳季說。
去年46歲的廣東東陽(yáng)人潘建偉，是國(guó)外量子通訊的領(lǐng)軍人物。從2000年左右開始，潘建偉就相繼把中學(xué)生送到多個(gè)實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過近六年的努力，組成了一個(gè)互補(bǔ)的團(tuán)隊(duì)，作出了國(guó)際上僅借助單一團(tuán)隊(duì)未能作出的成績(jī)。
“比如，陸朝陽(yáng)去了劍橋?qū)W院卡文迪實(shí)驗(yàn)室，陳宇翱去了瑞士的馬普所，張強(qiáng)去了哈佛學(xué)院，張軍去了法國(guó)，陳宇去了加洲圣塔芭芭拉中學(xué)。2011年前后，所有中學(xué)生全部如約歸國(guó)。不僅團(tuán)隊(duì)外，國(guó)外多年來的航天基礎(chǔ)也給我們這個(gè)領(lǐng)域幫助好多。兩個(gè)領(lǐng)域里的前瞻性布局，讓我們很辛運(yùn)的走在了后面。”潘建偉說。
隨后，中國(guó)還將相繼發(fā)射衛(wèi)星，建成全球第一個(gè)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間量子通訊的國(guó)家。去年下半年，滬寧量子通訊干道也將建成，屆時(shí)國(guó)外將初步產(chǎn)生廣域量子通訊體系。根據(jù)規(guī)劃，到2020年，中國(guó)將實(shí)現(xiàn)歐洲與亞洲的洲際量子秘鑰分發(fā)；到2030年左右，中國(guó)將建成全球化的廣域量子通訊網(wǎng)路。
中國(guó)量子通訊建設(shè)的里程碑。
中信通訊唐海清團(tuán)隊(duì)覺得，一旦衛(wèi)星發(fā)射成功，將在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通訊，建立一個(gè)天地一體化的量子保密通訊與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。屆時(shí)，在太空舉辦量子秘鑰傳輸實(shí)驗(yàn)，世界上第一封不可被監(jiān)聽、破譯的密信即將誕生，量子通訊產(chǎn)業(yè)騰飛將至。
值得一提的是，量子通訊和量子估算在去年第一次寫入國(guó)家戰(zhàn)略《十三五規(guī)劃》，解決了中國(guó)核心芯片和軟件難以國(guó)產(chǎn)化的問題。除此之外，唐海清覺得，國(guó)外未來還有望建設(shè)一縱一橫，三個(gè)環(huán)網(wǎng)以及七縱七橫；量子計(jì)算機(jī)預(yù)計(jì)將7-8年前面世，促使量子加密產(chǎn)業(yè)，打開萬億市場(chǎng)空間。
量子的“分身術(shù)”和“遠(yuǎn)程心靈感應(yīng)”
有了量子通訊網(wǎng)路，未來我們的信息傳送幾乎可以做到難以被泄露，更無從破解。這么量子到底有哪些樣的魔力，又是怎樣能做到通訊的“無懈可擊”的？
要理解量子通訊，得從量子的概念開始。構(gòu)成物質(zhì)的最小單元是基本粒子，而量子就是質(zhì)量、體積、能量等各類數(shù)學(xué)量的最小單元，但是它也要以某種粒子狀態(tài)存在。潘建偉的弟子、中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院近代化學(xué)系院長(zhǎng)陳宇翱曾在一次科學(xué)講堂上對(duì)量子世界做過一次形象生動(dòng)的科普。
量子是一個(gè)能量的最小單位，所有的微觀粒子包括分子、原子、電子、光子，它們都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。世界本身都是由微觀粒子組成的。所以，某種意義而言，我們身處的這個(gè)世界就是由量子組成的。
說到量子世界，量子的兩個(gè)特點(diǎn)不容忽略，量子疊加原理和由量子疊加原理引申下來的量子糾纏。
量子疊加，淺顯來說也可以稱為量子的“分身術(shù)”。舉例來說，《西游記》里孫悟空的一個(gè)能力，就是分身術(shù)，他可以變出許多分身，一個(gè)分身留在唐三藏門口進(jìn)行保護(hù)，另一個(gè)分身則可以跑去智斗妖魔鬼怪。那在量子的世界里，量子就是孫悟空，它也有分身術(shù)，并且跟孫悟空的分身術(shù)不一樣的地方在于，在量子的世界里量子的分身術(shù)不能被人看見，一旦有人去看它，它的分身都會(huì)隨機(jī)地消失，而最后只留下一個(gè)。
借助這樣的特點(diǎn)，能幫助我們提升估算能力。舉個(gè)反例，假如要分解一個(gè)300位的大數(shù)，用現(xiàn)今的計(jì)算機(jī)，須要15萬年，用量子的“分身術(shù)”并行運(yùn)算，只要一秒鐘就可以算下來。
另一個(gè)特點(diǎn)量子糾纏，被愛因斯坦稱為具有“鬼魅般的超距作用”。它如同胞胎心靈感應(yīng)一樣，這兩顆量子無論相距多遠(yuǎn)，表現(xiàn)下來的狀態(tài)仍然是一樣的。依照量子熱學(xué)，兩個(gè)處于量子糾纏態(tài)的粒子無論相隔多遠(yuǎn)，改變其中一個(gè)粒子的狀態(tài)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)才會(huì)馬上急劇改變。這些狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)不需精典化學(xué)學(xué)中的力場(chǎng)或電場(chǎng)，其關(guān)聯(lián)速率也可覺得超過光速，這被稱為“量子非定域性”。
基于這樣的特點(diǎn)，你不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)未知量子比特的精確復(fù)制。由于一旦信息被人綁架，量子會(huì)手動(dòng)發(fā)生變化，接收者也因而能察覺，而偷拍者也看不到原樣。
以第一個(gè)量子密碼通訊合同BB84為例，信息的發(fā)送方發(fā)送一個(gè)個(gè)單光子給接收方，接收方收到光子后，挨個(gè)進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于微觀量子態(tài)來說，檢測(cè)方法會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果，接收方只有用與發(fā)送方一致的檢測(cè)方法，能夠得到與發(fā)送方一致的結(jié)果。在通訊過程中，接收方將接收每一個(gè)光午時(shí)的檢測(cè)方式告訴發(fā)送方。發(fā)送方通過對(duì)比，保留下與自己檢測(cè)方法相同的這些光子，告訴接收方，這就產(chǎn)生了量子秘鑰。依據(jù)不可克隆原理，假若有人中途對(duì)光子進(jìn)行攔截和檢測(cè)，會(huì)改變光子的狀態(tài)，監(jiān)聽行為也就未能得逞。
國(guó)際量子信息科學(xué)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)激烈
正是由于量子具有這么巨大的魅力，不僅中國(guó)在布署量子通訊外，美國(guó)的許多發(fā)達(dá)國(guó)家也在積極迎戰(zhàn)量子信息科學(xué)發(fā)展。
日本國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（NSTC）在7月份，發(fā)布了《推進(jìn)量子信息科學(xué)：國(guó)家的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》的報(bào)告。報(bào)告中，印度國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)對(duì)量子信息科學(xué)的重要性，前瞻性進(jìn)行了探討，還介紹了日本在量子信息科學(xué)的研究發(fā)展?fàn)顩r。該委員會(huì)覺得量子估算能有效促進(jìn)物理、材料科學(xué)和粒子化學(xué)發(fā)展，未來可能最終會(huì)顛覆諸多科學(xué)領(lǐng)域人類首次實(shí)現(xiàn)量子通訊，人工智能也當(dāng)屬其中之一。
日本政府隨后在官網(wǎng)發(fā)文，督促學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府早日就量子信息科學(xué)（QIS）議程進(jìn)行交流，以保證量子信息研制的關(guān)鍵需求得到滿足。目前，新加坡科技公司微軟、IBM等早已在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域有所投入。
亞洲國(guó)家也不甘自己在量子領(lǐng)域落后。去年4月份，歐共體委員會(huì)對(duì)外宣布，將耗資10億美元投入量子技術(shù)，希望這個(gè)項(xiàng)目“將會(huì)讓法國(guó)處于第二次量子革命的前沿，未來10年在科學(xué)、產(chǎn)業(yè)和社會(huì)方面帶來改革性的進(jìn)展”。
日本也是量子領(lǐng)域不可忽略的力量。據(jù)《》新聞刊物報(bào)導(dǎo)，美國(guó)的一支科研團(tuán)隊(duì)正提出在地面生成糾纏光子對(duì)，之后將其中部分發(fā)射至重量不到30公斤的微型衛(wèi)星上。這比在太空生成光子實(shí)惠，美國(guó)量子加密與科學(xué)衛(wèi)星（）團(tuán)隊(duì)成員，滑鐵盧學(xué)院化學(xué)學(xué)家說，并且將光子發(fā)送到運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星中將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃首先在客機(jī)上使用光子接收器測(cè)試該系統(tǒng)。