墨子号开启星际首航
8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星（简称“量子卫星”）发射升空。此次发射任务的圆满成功，标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。
量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，其主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。全球首颗量子卫星或致窃听计划破产传一封密信，只让天知地知、你知我知，这很可能不再只是口头上的一种承诺，因为量子信息科学的发展，将逐渐成为一种现实。
尽管信息安全还牵涉不少人为的因素，但在科学家看来，量子信息科学至少能够在硬件上将“泄密”的可能性降到最低，甚至抵达一种“绝对安全”的地步。
正如量子卫星首席科学家、中国科学技术大学常务副校长潘建伟院士所说，斯诺登事件告诉我们，在传输线路中可以进行光缆的无感窃听，黑客的攻击无所不在；而量子通讯，是目前人类唯一已知的无条件安全的通信方式，根据量子理论可从根本上解决通信安全的问题。8月16日我国成功发射的全球第一颗量子卫星，就是科学家向信息“绝对安全”的目标而迈出的重要一步，这意味着我国将在世界上率先实践量子通信。
量子——不可分割的最基本单元
这一切都要从“量子”二字说起。那么，何谓量子，它和原子、电子、中子这些客观存在的粒子一样，也是某一种物质实体？
非也。量子不是一种粒子，而是构成物质的最基本单元，是能量的最基本携带者，不可分割。所有人们所熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子，都是量子的一种表现形态。
那么，既然世界是由微观粒子组成的，从某种意义上来说，世界本身也就是由量子组成的。可别小看这个最基本的单元，它有着一个可以挑战人类传统认知的特性——量子叠加。
何谓量子叠加？潘建伟有一个相对通俗的解释：经典事件里可以用某个物体的两个状态代表0或1，比如一只猫，或者是死，或者是活，但不能同时处于死和活的状态中间。
但在量子世界，不仅有0和1的状态，某些时候像原子、分子、光子可以同时处于0和1状态相干的叠加。比如光子的偏振状态，在真空中传递的时候，可以沿水平方向振动，可以沿竖直方向振动，也可以处于45°斜振动，这个现象正是水平和竖直偏振两个状态的相干叠加。
这种所谓的量子相干叠加是量子世界与经典世界的根本区别——著名的“薛定谔猫”形象地描述了这个佯谬。在经典世界里，猫要不然是活的，要不然是死的，然而一只量子的猫却可以处在“死”和“活”的叠加状态上。
潘建伟说，正因为有量子叠加状态，才导致量子力学不确定原理，即如果事先不知道单个量子状态，就不可能通过测量把状态的信息完全读取；不能读取就不能复制。这是量子的两个基本特性。在量子叠加原理基础之上，衍生出了量子的另一个奇妙特性，叫做“量子纠缠”。
他打了一个比方：甲、乙两人分处异地，两人同时玩一个游戏——掷骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1/6的概率随机得到1到6结果的某一个；同时，乙在另一地掷骰子，尽管两人每一次单边结果都是随机的，但每一次的结果却是一模一样的，就好像是双胞胎心灵感应一样。
这就是“量子纠缠”。
若两个量子粒子处在特殊的状态中，不管其空间分离得多远，当对其中一个粒子施行操作或测量，远处的另一个粒子状态会瞬时地发生相应的改变，爱因斯坦称这个现象为“幽灵般的超距作用”。
这种量子纠缠的“分身术”，有一个最为直接的应用，就是备受关注的量子保密通信。
量子通信——目前唯一已知的无条件安全通信
当前，被认为最安全的信息传递方式是光纤通讯。光缆能把所有的光能限制在光纤里，外面得不到能量，所以这个传输被认为是安全的。但随着科技发展，只需让光缆泄露哪怕很少一部分能量，外人就能够窃听光缆传递的信号。
潘建伟说，这是因为经典通信的信号只有0和1，发生窃听时，这两种信号不会被扰动。
比如说，当两人打电话时，他人可通过窃听器从通信线路中的上千万个电子中分出一些电子，使其进入另一根线路，从而实现窃听，而通话者无法察觉。
量子通信则不会出现这个问题。潘建伟说，这是因为其密钥具有不可复制性和绝对安全性。一旦有人窃取密钥，整个通信信息就会“自毁”并告知使用者。
他举了一个例子：甲、乙二人要进行安全通信，甲发出的光子信息状态有水平、竖直、45°等，假设有人窃听——
第一种方法是将单光子分割成两部分，让其中一部分继续传送，而对另一部分进行状态测量获取密钥信息。但由于单光子不可分割，因此这是不可能的。
第二种可能的方法是窃听者希望截取单光子后，测量其状态，然后根据测量结果发送一个新光子给接收方。但由于窃听者不能精确地对光子的状态进行测量，所以发送给接收方的光子的状态与其原始状态会存在偏差。这样，发送方和接收方可以利用这个偏差来探测到窃听者对光子的测量扰动，从而检验他们之间所建立的密钥的安全性。
第三种可能的方法是窃听者截取单光子后，通过复制单光子的状态来窃取信息。但按照量子不可克隆原理，未知的量子态不可能被精确复制。
因此潘建伟认为，根据量子力学原理，无论怎样，窃听都可以被发现。一旦被发现，原有密钥立即作废。甲就可以把没有被窃听的密钥传送过去，利用产生的密钥进行“一次一密”完全随机的加密。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性可以实现安全量子密钥分发，实现不可破译的保密通信。
换句话说，无论破译者掌握了多么先进的窃听技术、多强大的破译能力，只要量子力学规律依然成立，由量子通信建立起的秘密就无法被破解。
这一套说法的问世，也重新点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。潘建伟说，通向“绝对安全通信”这个千百年来人类梦想大道的入口，在量子物理的指引下，又重新显露在人们视野之中。
量子科学实验卫星——率先向“绝对安全”的通信发起实践
如今，量子信息“不可估量的前景”，让量子通信的实用化和产业化成为了包括欧盟、美国、日本和中国在内的各个大国争相追逐的目标——2008年，欧盟启动量子通信技术标准化研究，并成立“基于量子密码的安全通信”工程，目前，欧盟计划启动10亿欧元的量子技术旗舰项目，旨在建立极具竞争力的欧洲量子产业。
美国同样积极，其国防部支持的“高级研发活动”计划将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及长距离光纤网络；NASA 也计划在其总部和喷气推进实验室之间建立一个直线600公里、包含10个骨干节点的远距离光纤量子通信干线，并计划拓展到星地通信。
日本也提出了量子信息长期战略。中国也在发力。2013年，中科院设立了量子卫星战略先导专项计划，按照这一计划，我国量子通信技术发展分三步：一是通过光纤实现城域网络；二是通过量子中继器实现城际网络；三是通过卫星中转实现可覆盖全球的广域网络。
此次量子卫星的发射，开启了第三步。中科院国家空间科学中心主任吴季说，量子卫星需要在两年的设计寿命中，完成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星地量子隐形传态实验等四大任务，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破，检验量子力学完备性。
——这些实验将通过我国自主研发的星地量子通信设备完成，它能够产生经过编码的、甚至是纠缠的光子并发射到地面上，与之对接的地面系统则负责“接收光子”，这种光子的发射与接收被称为“针尖对麦芒”。
这并不容易。量子卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇打了个比方：如果把光量子看成一个个1元硬币，星地实验就相当于要从在万米高空飞行的飞机上，不断把上亿个硬币发射到地面上一个不断旋转的储蓄罐上，这不但要求硬币瞄准精度，击中储蓄罐，而且要使得硬币能够准确地、源源不断地射入储蓄罐细长的投币口。
“这就要求在飞行的过程中必须始终保证精确对准，跟踪要达到相当高的精度，这也是国际上从来没有人做过的。”王建宇说。
最终，中国科学家成功研制出量子卫星，潘建伟说，这不仅是我国量子保密通信领域“杀手锏”技术研发的重大突破，实现了从跟随创新到引领创新、从集成创新到原始创新的跨越，同时也是世界量子通信技术的重要创新，它有望使人类科技发展史上“最安全的通信手段”具备覆盖全球的能力。
天地一体化的量子通信网络——向覆盖全球的量子保密通信网络冲击
那么，为何我国能先于欧美而发射量子卫星？潘建伟说，当大多数人仍致力于实验室内部的原理性演示时，他们的团队已经开始思考如何能够在太空中实现量子信息传输，并早在2003年就初步构想了量子卫星计划。
如今，卫星成功发射。不少门外汉经常有一种误读，即卫星上了天，就意味着关于量子卫星的事情到此结束了，但事实上，对科学家而言，卫星上天后，量子通信之路才刚刚开始。
“这不仅是因为量子卫星需要在未来两年做各种天地之间的实验，更是因为，要实现全球化量子通信，还需要长期的努力，特别是需要多颗卫星的组网。”量子卫星科学应用系统总师兼卫星系统副总师、中国科大微尺度物质科学国家实验室研究员彭承志说。
彭承志认为，在首颗量子卫星发射成功、卫星组网的关键技术得以突破后，中国还将发射多颗卫星，计划到2020年，实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发，建成连接亚洲与欧洲的洲际量子通信网；到2030年左右建成全球化的广域量子通信网络。
而根据潘建伟的设想，卫星成功发射之后，同样由他牵头承担的世界上第一条远距离量子通信保密干线“京沪干线”，也将于今年下半年开通。
届时，一星一地，交相呼应。潘建伟说，这两大工程的配合，有望实现高速星地量子通信、并连接地面的城域量子通信网络，初步构建成我国天地一体化的量子通信网络雏形，并最终将目标设定为建立一个覆盖全国甚至覆盖全球的广域量子保密通信网络。他还表示，随着中国科技的迅猛发展，他相信量子通信将在不到10年的时间里辐射千家万户。带你了解神奇的量子世界
还记得这样的场景吗？电影中，主人公走入一扇“任意门”，瞬间就穿越来到另一个空间……在量子世界里，这或许不是幻想。记者采访了相关专家，带你一起走进神奇的量子世界。
问：“量子态隐形传输”意味着能实现《星际迷航》里的瞬间移动吗？
答：“量子态隐形传输”是基于量子叠加和量子纠缠的特性，就是甲地某一粒子的未知量子态，可以在乙地的另一粒子上还原出来。其实传输的是粒子的量子态，而不是粒子本身。这种状态传送的速度上限仍然是光速，也不是“瞬间移动”。
现在，在光子、原子等层面已经实现了量子态隐形传输。电影里“大变活人”在原理上是允许的，但目前还远远做不到。因为科幻电影里人的传送，不仅需要把人的实体部分的大量原子、分子传送，并且严格按照原来的相对位置重新排列起来，更何况重现意识和记忆就更复杂了。
不过，随着科学的发展和技术的进步，也许未来我们还是可以实现人的量子隐形传态，到那时星际旅行就不是梦啦。
问：将来机器会不会像《变形金刚》里一样被装上量子大脑，从而取代人类？
答：所谓量子大脑，其实就是当今正在研制中的量子计算机。未来的量子计算机可能会对人工智能起到极大的帮助，在数据搜索、分析和处理方面提供远远超过目前经典计算机的运算能力。
机器人都是预先设置好程序的，而人是有意识和自由意志的。研究发现，人脑中的思维机制与量子叠加、量子纠缠或许存在相似之处。所以也有学者认为，未来可望创造出与人脑一样运行的人工智能机器人。真到这种程度，机器与生物之间的界限已经非常模糊。这目前还只是一种畅想，未来究竟怎样还得拭目以待。
问：量子技术什么时候才能“飞入寻常百姓家”？
答：量子通信目前已经实现在金融、政务系统等中的使用。要让每个人都用上，乐观的话需要10到15年。这需要对网络基础设施进行改造，还涉及到标准制定。到时候，个人的网上银行、手机支付、信用卡等就再也不怕被盗号，“棱镜门”那样的泄密事件也不会发生了。
而量子计算目前仍然处于基础研究的阶段，前进道路上还面临着巨大的挑战，不知道在二三十年的时间内能否实现初步应用。一旦取得进展，其意义将是极其重大的。
问：量子科学和技术究竟将带来一个怎样的未来？答：量子科学和技术其实已经在方方面面影响着我们的日常生活。我们目前正在广为使用的计算机、手机、互联网、时间标准和导航，包括医院里的磁共振成像等等，无一不得益于量子科学和技术。
用发展的眼光看，随着微纳加工、超冷原子量子调控等技术的不断进步，人类将能够制备出越来越复杂、功能越来越强大的各种人造量子系统，例如包括量子计算机芯片在内的各种量子电路，其功能和信息处理能力将远远超过我们目前正在使用的经典芯片，并且更加节能；再如可望制备出达到量子极限的能量收集和转换器件，将引发能源变革；也有望大幅提升对时间、位置、重力等物理量超高精度的测量，不仅实现超高精度的潜艇定位、医学检测等，也将加深对物理学基本原理的认识。
总之，量子科学和技术的广泛应用最终将把人类社会带入到量子时代，实现更高的工作效率、更安全的数据通信，以及更方便和更绿色的生活方式。量子卫星彰显中国科技“领跑”之志
以“墨子号”命名的全球首颗量子科学实验卫星成功发射。这颗卫星体积不大，却为世界科技界瞩目。
小小量子，潜力无限，标志着我国正引领全球的量子通信研究。
近年来，我国在国际量子信息研究领域取得的众多成就，常常被业界冠以“率先”“首次”“第一个”……国际权威期刊《自然》杂志发文感叹，中国在量子通信领域，从十年前不起眼
的国家发展为现在的世界劲旅，将领先欧洲和北美。
国际科技创新制高点的角逐日益激烈，中国此时发力恰逢其时。当前，我国科技发展正处于“从量的积累向质的飞跃、点的突破向系统能力提升”的重要时期，已经从以跟踪为主发展为跟跑、并跑和领跑“三跑”并存的新格局，处于从跟跑、并跑向领跑转变的关键阶段。量子科学卫星的发射，意味着我国在一些前沿领域已开始领跑。
领跑，得益于我们能“集中力量办大事”。“墨子号”量子科学实验卫星、“悟空”暗物质粒子探测卫星、实践十号科学实验卫星，都是中科院“空间科学先导专项”中以重大科学发现为主要目标的项目。在很多外国专家看来，从量子卫星的研制、地面接收到卫星发射这一系列系统工程，中国的决策速度令人惊叹。十多个实力雄厚、富有创新精神的专业技术团队迅速整合，让中国一举夺得发射全球首颗量子卫星的先机。
领跑，相当于筑巢引凤，有助于吸引合作。目前，奥地利已经与中国科研团队展开合作，德国、加拿大等国家的科研团队也申请加入，领跑的量子卫星所产生的聚合效应已经显现。保持领跑优势，还要面对更加激烈的竞争。美国发布了新的量子科研计划，欧盟、日本也在量子通信领域加紧研究。
在高科技赛场上，中国将持续发力。不久前颁布的《“十三五”国家科技创新规划》部署了量子通信量子计算、脑科学和类脑研究等超前技术，更加注重前沿性、引领性，也更加关注颠覆性技术对产业变革的深刻影响。
“墨子号”的升空，是中国科学家将人类认知的触角向未知领域延伸，必将在世界科技史上写下浓墨重彩的一笔。“日日行，不怕千万里；常常做，不怕千万事”。中国科技创新将以更大的步幅、更矫健的身姿飞奔向前。
综合中青在线、新华社
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