還記得這樣的場景嗎？電影中，主人公走入一扇“任意門”，瞬間就穿越來到另一個空間……在量子世界里，這或許不是幻想。

8月16日凌晨，電話機器人破解我國成功發射電話機器人破解了以“墨子號”命名的全球首顆量子科學實驗衛星。這顆衛星體積不大，卻為世界科技界矚目。小小量子，潛力無限，標志著我國正引領全球的量子通信研究。它承載著率先探索星地量子通信可能性的使命，并將首次在空間尺度驗證量子理論的真實性。

那么什么是量子和量子通信？為何要發射量子衛星？將開展哪些實驗？量子科學和技術究竟將帶來一個怎樣的未來？讓我們揭秘全球首顆量子衛星，帶你一起走進神奇的量子世界。

“量子科學實驗衛星”工作示意圖。

一、科普時間電話機器人破解：神奇的量子世界

問電話機器人破解：量子究竟是什么？

答：量子是構成物質的基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可再分割。比如，光子是光能量的最小單元，不存在“半個光子”，同理，也不存在“半個氫原子”“半個水分子”等等。量子世界中有兩個基本原理：

——量子疊加，就是指一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上。著名的“薛定諤的貓”理論曾經形象地表述為“一只貓可以同時既是活的又是死的”。

——量子糾纏，類似孫悟空和他的分身，二者無論距離多遠都“心有靈犀”。當兩個微觀粒子處于糾纏態，不論分離多遠，對其中一個粒子的量子態做任何改變，另一個會立刻感受到，并做相應改變。

問：世界上真有“絕對安全”的通信嗎？

答：這得先說說通信中信息是如何被竊取的。傳統光通信是通過光的強弱變化傳輸信息。從中分出一丁點光并不影響其他光繼續傳輸信息，測量這一丁點光原理上就能竊取信息。

量子通信則完全不同！竊聽者如果想攔截量子信號，并對其進行測量，將不可避免地破壞攜帶密鑰信息的量子態。根據量子“測不準定理”，這種破壞必然會被信息發送者和接收者所發現。

是否可以不破壞傳輸的量子態，只截取并復制，再繼續發送？這已被“量子不可克隆定理”完全排除，于是也就保證了量子通信的絕對安全。

問：“量子態隱形傳輸”意味著能實現《星際迷航》里的瞬間移動嗎？

答：“量子態隱形傳輸”是基于量子疊加和量子糾纏的特性，就是甲地某一粒子的未知量子態，可以在乙地的另一粒子上還原出來。其實傳輸的是粒子的量子態，而不是粒子本身。這種狀態傳送的速度上限仍然是光速，也不是“瞬間移動”。

現在，在光子、原子等層面已經實現了量子態隱形傳輸。電影里“大變活人”在原理上是允許的，但目前還遠遠做不到。因為科幻電影里人的傳送，不僅需要把人的實體部分的大量原子、分子傳送，并且嚴格按照原來的相對位置重新排列起來，更何況重現意識和記憶就更復雜了。

不過，隨著科學的發展和技術的進步，也許未來我們還是可以實現人的量子隱形傳態，到那時星際旅行就不是夢啦。

問：將來機器會不會像《變形金剛》里一樣被裝上量子大腦，從而取代人類？

答：所謂量子大腦，其實就是當今正在研制中的量子計算機。未來的量子計算機可能會對人工智能起到極大的幫助，在數據搜索、分析和處理方面提供遠遠超過目前經典計算機的運算能力。

機器人都是預先設置好程序的，而人是有意識和自由意志的。研究發現，人腦中的思維機制與量子疊加、量子糾纏或許存在相似之處。所以也有學者認為，未來可望創造出與人腦一樣運行的人工智能機器人。真到這種程度，機器與生物之間的界限已經非常模糊。這目前還只是一種暢想，未來究竟怎樣還得拭目以待。

問：量子技術什么時候才能“飛入尋常百姓家”？

答：量子通信目前已經實現在金融、政務系統等中的使用。要讓每個人都用上，樂觀的話需要１０到１５年。這需要對網絡基礎設施進行改造，還涉及到標準制定。到時候，個人的網上銀行、手機支付、信用卡等就再也不怕被盜號，“棱鏡門”那樣的泄密事件也不會發生了。

而量子計算目前仍然處于基礎研究的階段，前進道路上還面臨著巨大的挑戰，不知道在二、三十年的時間內能否實現初步應用。一旦取得進展，其意義將是極其重大的。

問：量子科學和技術究竟將帶來一個怎樣的未來？

答：量子科學和技術其實已經在方方面面影響著我們的日常生活。我們目前正在廣為使用的計算機、手機、互聯網、時間標準和導航，包括醫院里的磁共振成像等等，無一不得益于量子科學和技術。

用發展的眼光看，隨著微納加工、超冷原子量子調控等技術的不斷進步，人類將能夠制備出越來越復雜、功能越來越強大的各種人造量子系統，例如包括量子計算機芯片在內的各種量子電路，其功能和信息處理能力將遠遠超過我們目前正在使用的經典芯片，并且更加節能；再如可望制備出達到量子極限的能量收集和轉換器件，將引發能源變革；也有望大幅提升對時間、位置、重力等物理量超高精度的測量，不僅實現超高精度的潛艇定位、醫學檢測等，也將加深對物理學基本原理的認識。

二、為何要發射量子衛星

量子保密通信技術已經從實驗室演示走向產業化。在城市里，通過光纖建構的城域量子網絡通信已經開始嘗試實際應用，我國在城域光纖量子通信方面已取得了國際領先的地位。

那為什么還要把量子實驗室從地面搬到太空呢？

“由于光纖的固有損耗，在光纖中實現遠距離量子通信面臨著巨大挑戰。”潘建偉說。

原來，用量子通信方式傳遞信息，傳送的是光的最小能量單元。但這種最小的顆粒，不能再被分割，也不能復制。即使采用目前最先進的理想單光子探測器，在1000公里光纖中進行點對點量子通信，每300年也只能傳輸一個比特。“就好比一支擁有100萬人的隊伍，到最后可能只剩下幾個人，花了很長時間才能抵達目的地。”這種受制于光纖，不能放大量子通信信號的問題，導致了在遠距離上信息傳遞效率很低，令科學家們一籌莫展。雖然通過量子中繼手段，即分成若干段傳輸來降低每一段的損耗，用“量子接力”的方式解決這一難題，但走向實際應用還需時日。

后來，科學家意識到，真空里不會有光的損耗，想要實現覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要借助衛星的中轉。

2005年，潘建偉團隊實現了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發實驗，證明光子穿透大氣層后，其量子態能夠有效保持，從而驗證了星地量子通信的可行性。近幾年開展的一系列后續實驗都為發射量子衛星奠定了技術基礎。

“這樣一來，通過發射衛星，去除干擾因素，就可以實現幾千公里的量子通信。”潘建偉說，有了量子衛星，還可以在宏觀距離上檢驗所謂的量子力學的非局域性，也就是“幽靈般的超距作用”。“看看在實驗室里不斷被重復檢驗的理論，放在太空是否還能實現。”

三、將開展哪些實驗

目前，國際上還沒有一個國家將量子科學實驗送入空間，量子衛星的研制沒有任何經驗可循，過程充滿了困難和挑戰。

科學家在量子衛星上搭載了自主研發的“四種武器”：量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源和量子試驗控制與處理機。

同時，在地面建設了科學應用系統，包括１個中心——合肥量子科學實驗中心；４個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站；１個平臺——阿里量子隱形傳態實驗平臺。

衛星與地面站共同構成天地一體化量子科學實驗系統，在兩年的設計壽命期間將進行四大實驗任務——星地高速量子密鑰分發實驗、廣域量子通信網絡實驗、星地量子糾纏分發實驗、地星量子隱形傳態實驗。

潘建偉介紹，實驗大致分為三類：第一類是進行衛星和地面之間的量子密鑰分發，實現天地之間的安全通信，如果４個地面站任何兩兩之間都可以實現安全的通訊，即可實現組網；第二類相當于把量子實驗室搬到太空，在空間尺度檢驗量子理論；第三類是實現衛星和地面千公里量級的量子態隱形傳輸。

天地量子科學實驗非常復雜，對天地實驗設備的要求也異乎尋常的高。潘建偉坦言，衛星研制過程中，最困難的環節就是有效載荷，“攻克了許多技術難題才拿下”。

比如量子糾纏源，它只有機頂盒的大小，作用卻非常關鍵，它能夠產生糾纏光，這是量子衛星在空中做各種實驗的源頭。平時實驗室里糾纏源的體積非常巨大，研究人員不僅把它做到了小型化，還通過一系列的創新讓它實現了滿足空間環境要求，在國際上是首次實現。

量子衛星對精準控制的要求也前所未有的高。量子衛星系統總師朱振才介紹，量子衛星飛行中，攜帶的兩個激光器要分別瞄準兩個相距上千公里的地面站，向左向右同時傳輸量子密鑰，且衛星上的光軸和地面望遠鏡的光軸要始終精確對準，就好比衛星上的“針尖”對地面上的“麥芒”。

科研團隊進行了各種實驗，考驗超遠距離“移動瞄靶”能力，最終突破了星地光路對準等關鍵技術，通過平臺和載荷兩級控制的方式，對準精度可以達到普通衛星的１０倍。

“激光器一站對一站有人做過，但一顆衛星對準兩個地面站國際上還從來沒有過。如果成功的話，在國際上也是首次實現這么高精度的跟蹤和地面站配合。”中科院國家空間科學中心主任吳季說。

四、量子衛星的前世今生

此刻，量子衛星已在太空軌道上翱翔。而它最初的構想，始于十幾年前。

２００１年，３１歲的潘建偉從歐洲回國，在中科大組建了量子信息實驗室。２００３年，當大多數人仍致力于在實驗室內部的原理性演示時，潘建偉和同事們已經萌生了“天地一體化”量子通信網的初步構想，“量子科學實驗衛星”正是這個構想中的關鍵節點。

“工欲善其事，必先利其器”。圍繞這一遠景目標，潘建偉團隊開始了十余年的技術積累。他帶領團隊在自由空間量子密鑰分發、量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗等方面不斷取得國際領先的突破性成果。

２００５年，潘建偉團隊在世界上第一次實現１３公里自由空間量子通信實驗，證實光子穿透大氣層后，其量子態能夠有效保持，從而驗證了星地量子通信的可行性。

隨后，他們又不斷創造“傳奇”：１６公里自由空間量子隱形傳態、百公里級自由空間量子通信、星地量子通信的全方位地面驗證實驗……為星地量子通信打下了堅實基礎。

經過十多年的發展，中國在量子通信領域已成為名副其實的世界勁旅。而這十多年間，從構想、攻關、立項到突破，人類歷史上第一顆量子通信衛星終成現實。

潘建偉說，“墨子號”發射以后，如果效果達到預期，下一步還計劃發射“墨子二號”“墨子三號”。“單顆低軌衛星無法覆蓋全球，同時由于強烈的太陽光背景，目前的星地量子通信只能在夜間進行。要實現高效的全球化量子通信，還需要形成一個衛星網絡。”

未來，一個由幾十顆量子衛星組成的“璀璨星群”，將與地面量子通信干線“攜手”，支撐起“天地一體”的量子通信網。

到２０３０年左右，中國力爭率先建成全球化的廣域量子保密通信網絡。在此基礎上，構建信息充分安全的“量子互聯網”，形成完整的量子通信產業鏈和下一代國家主權信息安全生態系統。

“安全的通信是屬于我們的，但是科學研究是面向全世界開放的。”潘建偉透露，第一個開放的項目是與奧地利科學院合作，實現北京和維也納之間的洲際量子保密通訊，之后將和更多國家合作開展量子信息技術方面的研究。

繼量子衛星之后，潘建偉團隊還計劃開展空間站“量子調控與光傳輸研究”項目，研究星間量子通信技術等，同時進行量子密鑰組網應用等研究，為下一步衛星組網奠定技術基礎。

“隨著中國科技的迅猛發展，我相信量子通信將在１０年左右時間輻射千家萬戶。期盼在我有生之年，能親眼目睹以量子計算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯網的誕生。”潘建偉說，“我相信中國科學家們做得到。”

五、未來有什么應用

據專家介紹，量子衛星發射后，天地一體化量子科學實驗系統將投入正式運行，而“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網工程預計今年下半年交付。

“大規模推廣量子通信應用后，將極大提高人們信息傳輸的私密性和安全性。”潘建偉說，建好“量子互聯網”后，人們不用再擔心任何信息泄露，從而避免惡意攻擊和欺詐行為。

量子保密通信，能夠從三個方面保障信息安全。第一，發送者和接收者之間的信息交互是安全的，不會被竊聽或盜取。第二，“主仆”身份能夠自動確認，只有主人才能夠使喚“仆人”，而其他人無法指揮“仆人”。第三，一旦發送者和接收者之間的傳遞口令被惡意篡改，使用者會立刻知曉，從而重新發送和接收指令。

“信息安全根本上需要解決的，就是傳輸內容不被別人知道、保證接收者是和發送者對話，以及信息不被篡改。”潘建偉說，僅僅發射一顆衛星是不夠的，只有形成星座才能建構起網絡，而且需要地面配置相應基礎設施，確保網絡聯接到千家萬戶。

“比如，將來可以在手機中植入量子加密芯片，用來接收并存儲密鑰。”潘建偉描述了一幅未來場景，人們只需要每天在家里，將手機和量子密鑰分發機連接，就能夠實現保密通信。“走到這一步，還需要對網絡基礎設施進行改造，制定通信標準等，10年至15年，有望實現。”

得益于這種絕對安全性，量子通信不僅應用于百姓日常通信，也可用于水、電、煤氣等能源供給和民生網絡基礎設施的通信保障，還可應用于國防、金融、商業等領域，勢必對產業界和科技界產生巨大變革。

六、將怎樣改變生活、影響世界？

在量子衛星首席科學家潘建偉院士看來，如果說地面量子通信構建了一張連接每個城市、每個信息傳輸點的“網”，那么量子科學實驗衛星就像一桿將這張網射向太空的“標槍”。當這張縱橫寰宇的量子通信“天地網”織就，海量信息將在其中來去如影，并且“無條件”安全。

潘建偉院士演示實用化量子通信產品進行遠距離保密通話。新華社發

量子通信：信息安全的“終極武器”

古往今來，人們對于信息加密的探索從未停止。古時候，人們在信封上滴蠟蓋上火印，但仍防不住有人拆開、讀完再復原。現代，人們用電磁波傳遞秘密，但“音量”再低，也防不住精細的竊聽。現今，科學家設法將“音量”調低到如此程度：只依靠一顆顆光子，任何竊密者去測量都會破壞它，從而被發現。信息微弱到了極限——量子級別，再小心的讀取都會徹底改變它，而不可能只改變一點點。這就是量子通訊的保密原理。

“量子通信是迄今唯一被嚴格證明為無條件安全的通信方式。量子不可分割、不可克隆，所以能保證加密內容不被破譯，可以從根本上保障信息安全、保護全人類的隱私。”量子衛星首席科學家潘建偉表示，理論上絕對安全的通信一旦實現，政府、軍隊和銀行，乃至全社會都將獲益。

改變生活：或15年后走進中國百姓家

在潘建偉看來，量子通信的應用前景，就像電話的普及過程一樣，將逐步進行，蔚為可觀。“一開始，量子通信可能會應用于國防、金融、政務、科學研究等，之后會在大眾中廣泛應用。”

基于個人判斷，他給出了一個量子通信技術普及的“時間表”：5年左右很多機要部門開始用，10年左右金融業、銀行等大機構開始使用，15年的時間或許走進千家萬戶。“屆時，每個人的家里、手機上或許都會有一個量子加密芯片，銀行轉款、電子賬戶等的涉密操作，都不用擔心被盜用或者攻擊。”

他并表示，這需要一個過程，依賴于量子通信網絡的建設，應用成本也會逐漸下降。

影響世界：多國望與中國共建“量子星座”

雖然量子科學實驗衛星成功發射，但從長遠來看，“要實現全球化量子通信還需要長期的努力，特別是需要多顆衛星的組網”，量子科學實驗衛星科學應用系統總師兼衛星系統副總師彭承志表示，“這條征途沒有盡頭”。

也因此，中國以開放的姿態歡迎全球合作。“我們非常高興地同意了奧地利方的請求，共同就北京到維也納之間的洲際量子通信進行實驗合作，中方并決定向全球開放載荷的相關數據”，潘建偉介紹稱。

他表示，德國和意大利也非常希望繼奧地利后加入中國團隊的實驗，在探索全球量子通信組網建設、“量子星座”建設中與中方展開合作。“協議目前已經走完了相關的流程，近期就將進行簽署。”

“畢竟，科學也是面向全世界的，中國的量子衛星走在世界前列之后，可以引領整個學術界在這個方向開展研究，為人類貢獻中國智慧”，潘建偉說。

七、一圖讀懂量子科技與我們有什么關系？

八、延伸閱讀

2030年我國將建成全球化量子通信網絡

量子通信衛星運行的軌道較低，覆蓋面積小。如果要在全世界范圍內保障通信安全，大約需要 20 顆量子通信衛星。

據悉，按照規劃，我國在2016年發射首顆量子通信衛星，建設以4個量子通信地面站和1個空間量子隱形傳態實驗站為核心的空間量子科學實驗系統后，還將發射更多的量子通信衛星。到2020年，我國量子通信市場規模將達210億元。隨著量子通信在各領域的不斷滲透，預計國內量子加密潛在市場規模有望達到500億至1000億元。到2020年還要實現亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發，屆時聯接亞洲與歐洲的洲際量子通信網也將建成。到2030年左右，我國將建成全球化的廣域量子通信網絡。

本文綜合自科技日報 人民日報 中國新聞網 新華網 北京日報等