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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。

8月16日凌晨，电话机器人破解我国成功发射电话机器人破解了以“墨子号”命名的全球首颗量子科学实验卫星。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。它承载着率先探索星地量子通信可能性的使命，并将首次在空间尺度验证量子理论的真实性。

那么什么是量子和量子通信？为何要发射量子卫星？将开展哪些实验？量子科学和技术究竟将带来一个怎样的未来？让我们揭秘全球首颗量子卫星，带你一起走进神奇的量子世界。

“量子科学实验卫星”工作示意图。

一、科普时间电话机器人破解：神奇的量子世界

问电话机器人破解：量子究竟是什么？

答：量子是构成物质的基本单元，是能量的最基本携带者，不可再分割。比如，光子是光能量的最小单元，不存在“半个光子”，同理，也不存在“半个氢原子”“半个水分子”等等。量子世界中有两个基本原理：

——量子叠加，就是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。著名的“薛定谔的猫”理论曾经形象地表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。

——量子纠缠，类似孙悟空和他的分身，二者无论距离多远都“心有灵犀”。当两个微观粒子处于纠缠态，不论分离多远，对其中一个粒子的量子态做任何改变，另一个会立刻感受到，并做相应改变。

问：世界上真有“绝对安全”的通信吗？

答：这得先说说通信中信息是如何被窃取的。传统光通信是通过光的强弱变化传输信息。从中分出一丁点光并不影响其他光继续传输信息，测量这一丁点光原理上就能窃取信息。

量子通信则完全不同！窃听者如果想拦截量子信号，并对其进行测量，将不可避免地破坏携带密钥信息的量子态。根据量子“测不准定理”，这种破坏必然会被信息发送者和接收者所发现。

是否可以不破坏传输的量子态，只截取并复制，再继续发送？这已被“量子不可克隆定理”完全排除，于是也就保证了量子通信的绝对安全。

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。

二、为何要发射量子卫星

量子保密通信技术已经从实验室演示走向产业化。在城市里，通过光纤建构的城域量子网络通信已经开始尝试实际应用，我国在城域光纤量子通信方面已取得了国际领先的地位。

那为什么还要把量子实验室从地面搬到太空呢？

“由于光纤的固有损耗，在光纤中实现远距离量子通信面临着巨大挑战。”潘建伟说。

原来，用量子通信方式传递信息，传送的是光的最小能量单元。但这种最小的颗粒，不能再被分割，也不能复制。即使采用目前最先进的理想单光子探测器，在1000公里光纤中进行点对点量子通信，每300年也只能传输一个比特。“就好比一支拥有100万人的队伍，到最后可能只剩下几个人，花了很长时间才能抵达目的地。”这种受制于光纤，不能放大量子通信信号的问题，导致了在远距离上信息传递效率很低，令科学家们一筹莫展。虽然通过量子中继手段，即分成若干段传输来降低每一段的损耗，用“量子接力”的方式解决这一难题，但走向实际应用还需时日。

后来，科学家意识到，真空里不会有光的损耗，想要实现覆盖全球的广域量子保密通信，还需要借助卫星的中转。

2005年，潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验，证明光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而验证了星地量子通信的可行性。近几年开展的一系列后续实验都为发射量子卫星奠定了技术基础。

“这样一来，通过发射卫星，去除干扰因素，就可以实现几千公里的量子通信。”潘建伟说，有了量子卫星，还可以在宏观距离上检验所谓的量子力学的非局域性，也就是“幽灵般的超距作用”。“看看在实验室里不断被重复检验的理论，放在太空是否还能实现。”

三、将开展哪些实验

目前，国际上还没有一个国家将量子科学实验送入空间，量子卫星的研制没有任何经验可循，过程充满了困难和挑战。

科学家在量子卫星上搭载了自主研发的“四种武器”：量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子试验控制与处理机。

同时，在地面建设了科学应用系统，包括１个中心——合肥量子科学实验中心；４个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站；１个平台——阿里量子隐形传态实验平台。

卫星与地面站共同构成天地一体化量子科学实验系统，在两年的设计寿命期间将进行四大实验任务——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、地星量子隐形传态实验。

潘建伟介绍，实验大致分为三类：第一类是进行卫星和地面之间的量子密钥分发，实现天地之间的安全通信，如果４个地面站任何两两之间都可以实现安全的通讯，即可实现组网；第二类相当于把量子实验室搬到太空，在空间尺度检验量子理论；第三类是实现卫星和地面千公里量级的量子态隐形传输。

天地量子科学实验非常复杂，对天地实验设备的要求也异乎寻常的高。潘建伟坦言，卫星研制过程中，最困难的环节就是有效载荷，“攻克了许多技术难题才拿下”。

比如量子纠缠源，它只有机顶盒的大小，作用却非常关键，它能够产生纠缠光，这是量子卫星在空中做各种实验的源头。平时实验室里纠缠源的体积非常巨大，研究人员不仅把它做到了小型化，还通过一系列的创新让它实现了满足空间环境要求，在国际上是首次实现。

量子卫星对精准控制的要求也前所未有的高。量子卫星系统总师朱振才介绍，量子卫星飞行中，携带的两个激光器要分别瞄准两个相距上千公里的地面站，向左向右同时传输量子密钥，且卫星上的光轴和地面望远镜的光轴要始终精确对准，就好比卫星上的“针尖”对地面上的“麦芒”。

科研团队进行了各种实验，考验超远距离“移动瞄靶”能力，最终突破了星地光路对准等关键技术，通过平台和载荷两级控制的方式，对准精度可以达到普通卫星的１０倍。

“激光器一站对一站有人做过，但一颗卫星对准两个地面站国际上还从来没有过。如果成功的话，在国际上也是首次实现这么高精度的跟踪和地面站配合。”中科院国家空间科学中心主任吴季说。

四、量子卫星的前世今生

此刻，量子卫星已在太空轨道上翱翔。而它最初的构想，始于十几年前。

２００１年，３１岁的潘建伟从欧洲回国，在中科大组建了量子信息实验室。２００３年，当大多数人仍致力于在实验室内部的原理性演示时，潘建伟和同事们已经萌生了“天地一体化”量子通信网的初步构想，“量子科学实验卫星”正是这个构想中的关键节点。

“工欲善其事，必先利其器”。围绕这一远景目标，潘建伟团队开始了十余年的技术积累。他带领团队在自由空间量子密钥分发、量子纠缠分发和量子隐形传态实验等方面不断取得国际领先的突破性成果。

２００５年，潘建伟团队在世界上第一次实现１３公里自由空间量子通信实验，证实光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而验证了星地量子通信的可行性。

随后，他们又不断创造“传奇”：１６公里自由空间量子隐形传态、百公里级自由空间量子通信、星地量子通信的全方位地面验证实验……为星地量子通信打下了坚实基础。

经过十多年的发展，中国在量子通信领域已成为名副其实的世界劲旅。而这十多年间，从构想、攻关、立项到突破，人类历史上第一颗量子通信卫星终成现实。

潘建伟说，“墨子号”发射以后，如果效果达到预期，下一步还计划发射“墨子二号”“墨子三号”。“单颗低轨卫星无法覆盖全球，同时由于强烈的太阳光背景，目前的星地量子通信只能在夜间进行。要实现高效的全球化量子通信，还需要形成一个卫星网络。”

未来，一个由几十颗量子卫星组成的“璀璨星群”，将与地面量子通信干线“携手”，支撑起“天地一体”的量子通信网。

到２０３０年左右，中国力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络。在此基础上，构建信息充分安全的“量子互联网”，形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统。

“安全的通信是属于我们的，但是科学研究是面向全世界开放的。”潘建伟透露，第一个开放的项目是与奥地利科学院合作，实现北京和维也纳之间的洲际量子保密通讯，之后将和更多国家合作开展量子信息技术方面的研究。

继量子卫星之后，潘建伟团队还计划开展空间站“量子调控与光传输研究”项目，研究星间量子通信技术等，同时进行量子密钥组网应用等研究，为下一步卫星组网奠定技术基础。

“随着中国科技的迅猛发展，我相信量子通信将在１０年左右时间辐射千家万户。期盼在我有生之年，能亲眼目睹以量子计算为终端、以量子通信为安全保障的量子互联网的诞生。”潘建伟说，“我相信中国科学家们做得到。”

五、未来有什么应用

据专家介绍，量子卫星发射后，天地一体化量子科学实验系统将投入正式运行，而“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网工程预计今年下半年交付。

“大规模推广量子通信应用后，将极大提高人们信息传输的私密性和安全性。”潘建伟说，建好“量子互联网”后，人们不用再担心任何信息泄露，从而避免恶意攻击和欺诈行为。

量子保密通信，能够从三个方面保障信息安全。第一，发送者和接收者之间的信息交互是安全的，不会被窃听或盗取。第二，“主仆”身份能够自动确认，只有主人才能够使唤“仆人”，而其他人无法指挥“仆人”。第三，一旦发送者和接收者之间的传递口令被恶意篡改，使用者会立刻知晓，从而重新发送和接收指令。

“信息安全根本上需要解决的，就是传输内容不被别人知道、保证接收者是和发送者对话，以及信息不被篡改。”潘建伟说，仅仅发射一颗卫星是不够的，只有形成星座才能建构起网络，而且需要地面配置相应基础设施，确保网络联接到千家万户。

“比如，将来可以在手机中植入量子加密芯片，用来接收并存储密钥。”潘建伟描述了一幅未来场景，人们只需要每天在家里，将手机和量子密钥分发机连接，就能够实现保密通信。“走到这一步，还需要对网络基础设施进行改造，制定通信标准等，10年至15年，有望实现。”

得益于这种绝对安全性，量子通信不仅应用于百姓日常通信，也可用于水、电、煤气等能源供给和民生网络基础设施的通信保障，还可应用于国防、金融、商业等领域，势必对产业界和科技界产生巨大变革。

六、将怎样改变生活、影响世界？

在量子卫星首席科学家潘建伟院士看来，如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的“网”，那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。当这张纵横寰宇的量子通信“天地网”织就，海量信息将在其中来去如影，并且“无条件”安全。

潘建伟院士演示实用化量子通信产品进行远距离保密通话。新华社发

量子通信：信息安全的“终极武器”

古往今来，人们对于信息加密的探索从未停止。古时候，人们在信封上滴蜡盖上火印，但仍防不住有人拆开、读完再复原。现代，人们用电磁波传递秘密，但“音量”再低，也防不住精细的窃听。现今，科学家设法将“音量”调低到如此程度：只依靠一颗颗光子，任何窃密者去测量都会破坏它，从而被发现。信息微弱到了极限——量子级别，再小心的读取都会彻底改变它，而不可能只改变一点点。这就是量子通讯的保密原理。

“量子通信是迄今唯一被严格证明为无条件安全的通信方式。量子不可分割、不可克隆，所以能保证加密内容不被破译，可以从根本上保障信息安全、保护全人类的隐私。”量子卫星首席科学家潘建伟表示，理论上绝对安全的通信一旦实现，政府、军队和银行，乃至全社会都将获益。

改变生活：或15年后走进中国百姓家

在潘建伟看来，量子通信的应用前景，就像电话的普及过程一样，将逐步进行，蔚为可观。“一开始，量子通信可能会应用于国防、金融、政务、科学研究等，之后会在大众中广泛应用。”

基于个人判断，他给出了一个量子通信技术普及的“时间表”：5年左右很多机要部门开始用，10年左右金融业、银行等大机构开始使用，15年的时间或许走进千家万户。“届时，每个人的家里、手机上或许都会有一个量子加密芯片，银行转款、电子账户等的涉密操作，都不用担心被盗用或者攻击。”

他并表示，这需要一个过程，依赖于量子通信网络的建设，应用成本也会逐渐下降。

影响世界：多国望与中国共建“量子星座”

虽然量子科学实验卫星成功发射，但从长远来看，“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”，量子科学实验卫星科学应用系统总师兼卫星系统副总师彭承志表示，“这条征途没有尽头”。

也因此，中国以开放的姿态欢迎全球合作。“我们非常高兴地同意了奥地利方的请求，共同就北京到维也纳之间的洲际量子通信进行实验合作，中方并决定向全球开放载荷的相关数据”，潘建伟介绍称。

他表示，德国和意大利也非常希望继奥地利后加入中国团队的实验，在探索全球量子通信组网建设、“量子星座”建设中与中方展开合作。“协议目前已经走完了相关的流程，近期就将进行签署。”

“毕竟，科学也是面向全世界的，中国的量子卫星走在世界前列之后，可以引领整个学术界在这个方向开展研究，为人类贡献中国智慧”，潘建伟说。

七、一图读懂量子科技与我们有什么关系？

八、延伸阅读

2030年我国将建成全球化量子通信网络

量子通信卫星运行的轨道较低，覆盖面积小。如果要在全世界范围内保障通信安全，大约需要 20 颗量子通信卫星。

据悉，按照规划，我国在2016年发射首颗量子通信卫星，建设以4个量子通信地面站和1个空间量子隐形传态实验站为核心的空间量子科学实验系统后，还将发射更多的量子通信卫星。到2020年，我国量子通信市场规模将达210亿元。随着量子通信在各领域的不断渗透，预计国内量子加密潜在市场规模有望达到500亿至1000亿元。到2020年还要实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发，届时联接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。到2030年左右，我国将建成全球化的广域量子通信网络。

本文综合自科技日报 人民日报 中国新闻网 新华网 北京日报等