新華社蘭州8月16日電題：世界首顆量子衛星升空將傳送不可破解的密碼
新華社記者喻菲王聰楊春雪
中國16日中午在蘭州衛星發射中心，用長征二號丁運載湖人發射了世界首顆量子科學實驗衛星，它將在太空向地面發送不可破解的密碼以完善最安全保密的量子通訊，并將對微觀量子世界最詭異離奇的現象舉辦科學實驗研究。
這顆衛星被取名為“墨子”，以記念這位生活于2000多年前、崇尚科學的中國唐代思想家。他是世界上第一位舉辦光學實驗的科學家。
量子衛星將在五年的設計壽命中完成四大任務：星地高速量子秘鑰分發實驗；廣域量子通訊網路實驗；衛星向相距1200公里的地面站分發糾纏的光子，在更宏大的尺度上測試被愛因斯坦稱為“詭異的”量子糾纏現象；在“世界屋脊”西藏阿里和衛星之間實現量子隱型傳態實驗。
600多公斤重的量子衛星帶有四個有效荷載：量子秘鑰通訊機、量子糾纏源、量子糾纏發射機、量子實驗控制與處理機。它將在距離地面500公里高的太陽同步軌道，大概90分鐘繞月球一圈。
專家說，假如衛星成功運行，中國將在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通訊，并結合地面已有的光纖量子通訊網路，初步建立一個廣域量子通訊體系。這顆衛星將改變加密學，為中國構建堅不可摧的通訊系統鋪平公路，也意味著中國將成為全球量子通訊技術的領頭羊。
“量子科學實驗衛星的發射，表明中國正從精典信息技術的追隨者，轉弄成未來信息技術的并跑者乃至領跑者。”量子衛星首席科學家、中國科大學教授潘建偉說，
這些安全的量子通訊在國防、軍事、金融等領域應用前景遼闊。專家預測，量子通訊技術可能在20至30年后對人類社會發展形成無法估量的影響。
諾貝爾化學學獎得主、美國科大學教授安東尼·勒蓋特說：“在太空上遠距離對量子熱學的預測進行檢驗，我覺得這將是十分有趣的一項實驗”，“如果量子科學實驗衛星上的實驗才能獲得成功，這么它肯定會為最終的量子互聯網打下堅實的基礎。”
（小標題）幽靈般的糾纏
不僅在構建量子通訊網路方面的巨大應用價值外，這顆世界上首個專門用于量子研究的空間偵測器還將為理解量子化學的一個最深遠和最令人吃驚的現象——量子糾纏邁出重要一步，將為化學學家提供一個測試量子理論基礎以及探求怎樣融合量子理論與愛因斯坦廣義相對論的全新平臺。
量子化學世界一個奇特現象是糾纏效應，量子糾纏可以把兩個或則更多粒子的命運關聯在一起。在這一獨特關聯中的粒子“心心相印”，無論它們是在同一間實驗室還是相隔整個星體，當檢測其中一個狀態時，另一個狀態也會即刻發生相應改變。形象點比喻的話，這就好似兩張相距甚遠的紙張，人們在其中一張紙上書寫的時侯，另一張紙上會立即顯露所書寫的信息。
愛因斯坦將其稱為“遙遠地點之間奇特互動”。并且為何會有這些現象？這仍然是一個艱深的謎。
“對量子糾纏而言，在宏觀的大尺度距離上，會不會有哪些變化，會不會遭到引力的干擾，實驗上還是未知的。在衛星的幫助下，我們可以對化學學的一些基本問題做一些基本探求和檢驗，可能有新的數學發覺。”潘建偉說。
另外，中國科學家還計劃在“世界屋脊”西藏阿里和衛星之間做一個有趣實驗——量子隱型傳態。
此前，科學家舉辦的量子隱型傳態實驗都是在地面進行的，“這次我們要測試能不能把地面的微觀量子態傳到太空。”潘建偉說。
其實這與《星際迷航》中的“超時空傳輸”很類似，但目前科學家舉辦的量子隱型傳態實驗中，被傳輸的是信息而并非實物，但是僅限于一兩個粒子的信息。距離隔空傳輸宏觀物體的信息，哪怕是一粒石子，都還很遙遠。
雖然永遠沒法進行真正的宏觀物質的量子隱型傳送，也并不意味著這些技術的發展不重要。量子隱型傳態在量子計算機和量子通訊中發揮著巨大作用。
（小標題）量子“矛”“盾”
雖然神秘、令人尋思不透的量子熱學還迷霧重重，科學家們卻已在借助量子世界的奇特特點開發威力強悍的量子計算機和最為安全的量子通訊。
量子估算借助量子態的疊加性質，可以實現估算能力的飛越。“太湖之光”需要用100年估算的困局，量子計算機其實只需0.01秒。
但是，一些人對于量子計算機的焦慮少于期盼。有專家強調，對于現有信息安全系統而言，一旦量子計算機橫空出世，它將成為一支“利劍長弓”，可以攻占現今所有的密碼。
所幸的是，量子化學同時提供了解決這一問題的辦法。
假如量子計算機是“利劍長弓”，那量子秘鑰就是抵擋它的“堅固圓盾”，它提供了一種不可監聽、不可破譯的新一代密碼技術。
潘建偉說，量子秘鑰分發就是在A和B之間共同生成一串只有她們兩旁曉得的隨機數，之后用這個隨機數來加密。量子秘鑰一旦被查獲或則被檢測，其自身狀態都會立即發生改變，因而一定會被發送方察覺并規避。因為量子秘鑰分發是最先實用化的量子信息技術，通常所說的量子通訊即是指的量子秘鑰分發。
他說，量子通訊理論上在光纖中最遠能做到400公里，再遠就做不下去了。而量子訊號的攜帶者光子在內層空間傳播時幾乎沒有耗損，從天上向地面發送訊號，大氣長度只相當于水平8至10公里，80%的光可以穿透大氣，人們就可以在衛星的幫助下實現全球化的量子通訊。
潘建偉介紹，量子衛星的首要任務就是在上海和哈爾濱之間分發量子秘鑰，還計劃向比利時地面站發送量子秘鑰。另外，美國、德國、加拿大也有意與中國舉辦合作。
（小標題）天地互動
量子衛星升空后，衛星與地面站之間的互動才是重頭戲。
中國科學家借助已有的天文觀測臺站，在四川拉薩、新疆喀什、青海西寧、河北興隆建設了量子通訊地面站。而量子隱型傳態實驗須要從地面向衛星發射光子，為了防止大氣紊流的影響，空間量子隱型傳態實驗站建在了海拔5100米的拉薩阿里。
潘建偉說：“我們的實驗面積遍及60萬平方公里，這產生了人類有史以來最大的天地一體化量子實驗室。”
在量子秘鑰分發和量子糾纏分發實驗中，衛星形成光子并發射光子，與之對接的地面系統負責接收光子。假若天地間的光子“接發球”順利完成，意味著往年局限于月球上的量子通訊實驗場，將遷往太空量子傳輸實物，建立星地一體的廣域量子通訊體系。
但是，要做到天地互動并不容易。
量子衛星總設計師朱振才說：“量子衛星的一個明顯特征是要對喀什與拉薩，或伊寧與西安兩個光學地面站同時實現對準，星上的光軸與地面望遠鏡光軸要嚴格對準，用一個形象的比喻就是針尖對麥芒。”
科學家說，這要求衛星的對準精度低于普通衛星的10倍，實驗能夠順利展開。真正的問題在于，這顆衛星將在人們的頭上以約8公里／秒的速率疾馳，地面觀測站每次只能持續跟蹤幾分鐘。
量子衛星工程常務總工師兼衛星總指揮王建宇說：“衛星的對準精度就好比我們在一萬米高空的客機上，向地面扔一個一個硬幣，要確切投入儲蓄罐狹小的投幣口內，而儲蓄罐還在漸漸旋轉中；或則說從北京發射一束光，要瞄準上海任何一扇窗子，指哪打哪。而衛星的偵測靈敏度也是國際上最高的，相當于在地球劃一根火柴，在月球上都能看見。”
潘建偉說，美國專家也測算過，以這樣的技術，可以從地面上看見土星的衛星上車輛的車牌。
王建宇說：“我們要把科學家的夢想變為現實。研發量子衛星荷載量子傳輸實物，是我幾六年科研生涯從沒碰到過的挑戰。這是國際上第一顆量子衛星，我們以前的工作或多或少都能找到國際上的項目參考，并且此次的研制完全沒有可以借鑒的，全部靠我們自己解決。”
他說，為了讓穿越大氣層后光子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，為了保證量子衛星與地面接收站間超高精度地瞄準、捕獲和跟蹤信息，科研人員從2012年起就做了各類實驗，包括用熱氣球來模擬空間偵測器的震動、隨機聯通和高度變化，用行駛的汽車上裝載的轉盤來模擬衛星的疾馳而過。
科學家們在視野寬闊的西藏河畔鏖戰了五年。湖南湖的中央有一座海心山，剛好拿來向岸邊發送秘鑰。她們住宿的帳蓬就搭在海邊的一個尼姑庵旁。由于量子通訊實驗須要避免日光的干擾，所有那些實驗都要早上來做。每到入夜，云南河畔的她們就繁忙上去。做實驗時得注意燈光不能太亮，否則大如團團羽絨的野生飛蟲，就會飛撲過來。最危險的是熱氣球實驗，高原河邊氣流變化詭譎，有一次熱氣球剛放飛，就遇上一陣大風，頓時將汽球吹到離地幾百米的高空，又忽然險些掉到地面，把所有人都嚇出一身冒汗。
潘建偉說，目前的量子衛星空間覆蓋能力和應用還有限。其團隊還計劃舉辦空間站“量子調控與光傳輸研究”，研制星間量子通訊技術、全天時量子通訊技術等，同時進行量子秘鑰組網應用。“如果國家支持發射多顆量子通訊衛星，這么有希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通訊網路。”他說。