揭秘全球首顆量子衛星：為何要發射 將開展啥實驗？

《人民日報》 記者 劉詩瑤

8月16日1時40分，我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星(簡稱“量子衛星”)“墨子號”發射升空。隨著此次發射任務的圓滿成功，人類將首次完成衛星和地面之間的量子通信，標志著我國空間科學研究又邁出重要一步。

量子衛星是中國科學院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一，其主要科學目標是借助衛星平臺，進行星地高速量子密鑰分發實驗，并在此基礎上進行廣域量子密鑰網絡實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。

我國自主研發的量子衛星突破了一系列高新技術，包括同時瞄準兩個地面站的高精度星地光路對準、星地偏振態保持與基矢校正、星載量子糾纏源等工程級關鍵技術等，衛星設計壽命為兩年。量子衛星的成功發射和在軌運行，將有助于我國在量子通信技術實用化整體水平上保持和擴大國際領先地位，實現國家信息安全和信息技術水平跨越式提升，有望推動我國科學家在量子科學前沿領域取得重大突破，對于推動我國空間科學衛星系列可持續發展具有重大意義。

什么是量子和量子通信

量子是物理世界里最小的、不可分割的基本個體。可以說，整個世界都是由量子組成的。而量子理論，被稱為物理世界的百歲“幽靈”，連不少科學家都為其產生的神秘現象所迷惑，對于普通人來說自然更加高深。但若試著走近它，你會發現這個“幽靈”的魅力。

量子的奇妙之處首先在于它的奇妙特性——量子疊加原理和量子糾纏。

什么是量子疊加原理？就是說，量子有多個可能狀態的疊加態，只有在被觀測或測量時，才會隨機地呈現出某種確定的狀態，因此，對物質的測量意味著擾動，會改變被測量物質的狀態。“這就好比孫悟空的分身術”，量子衛星首席科學家、中科院院士潘建偉解釋道，“一個孫悟空同時出現在多個地方，孫悟空的各個分身就像是他的疊加態。在日常生活中，我不可能同時出現在兩個地方，但在量子世界里，作為一個微觀的客體，它同時出現在許多地方。”

而所謂的量子糾纏，則意味著兩個糾纏在一起的量子就像有心電感應的雙胞胎，不管兩個人的距離有多遠，當哥哥的狀態發生變化時，弟弟的狀態也跟著發生一樣的變化。“如果這兩個光量子呈糾纏態的話，哪怕是千公里量級或者更遠的距離，大家認為，還是會出現遙遠的點之間的詭異互動。”潘建偉補充道，兩個處于糾纏狀態的粒子無論相距多遠，都能“感應”對方狀態，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。科學家就可以利用這種效應將甲地某一粒子的未知量子態，在乙地的另一粒子上還原出來。

隨著這兩種特性被科學家不斷認識，適用于實際應用的新技術也被逐漸開拓出來，量子通信就是其中之一。

以往用以微電子技術為基礎的計算機技術傳遞信息極易遭遇竊聽，但通過把量子物理與信息技術相結合，利用量子調控技術，能夠用一種革命性的方式對信息進行編碼、存儲、傳輸和操縱，從而在確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度等方面突破經典信息技術的瓶頸，這就是量子通信。

通常認為，量子通信分為兩種，一種是量子保密通信(量子密鑰分發)；另外一種是量子隱形傳態。

量子保密通信，就好比一個人想要傳遞秘密給另外一個人，需要把存放秘密的箱子和一把鑰匙傳給接收方。接收方只有用這把鑰匙打開箱子，才能取到秘密。沒有這把鑰匙，別人無法打開箱子，而且一旦這把鑰匙被別人動過，傳送者會立刻發現，原有的鑰匙作廢，再給一把新的鑰匙，直到確保接收方本人拿到。

那么，為何鑰匙被別人一碰，就能立刻被知曉呢？

因為，科學家利用了上面提到過的量子有多個疊加態的原理，用量子作為密鑰。這樣一來，一旦有人試圖截獲或測試量子密鑰，就會改變量子狀態，科學家便能立刻從改變中發現有人動了鑰匙。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性，就能實現無條件安全的通信方式。

量子通信的另一種——量子隱形傳態也利用了量子的兩大特性，通過隱形傳輸實現信息傳遞。也就是說，將粒子的未知量子態精確傳送到遙遠地點而不用傳送粒子本身。