2018年，潘建伟院士与“墨子号”量子卫星模型合影

知乎编 中国科学技术大学出版社2022年7月出版

　　2016年8月16日，“墨子号”量子科学实验卫星发射，它是全世界第一颗也是目前唯一一颗实现星地之间量子保密通信的卫星。这是中国在量子通信领域领跑世界的标志性成果。

　　“墨子号”卫星是做什么的？

　　量子保密通信是一种“无条件安全”的保密传输方法。“无条件安全”的意思是，密文不会被任何的数学方法破解，即使敌人有无限的计算能力也不行。信息论创始人香农（Shannon）在20世纪50年代证明了一条定理：如果密钥满足三个条件（随机字符串，跟明文等长，一次一密），密文就是绝对不可破解的。

　　然而，这种方法在实践中很少被使用。因为它要求密钥跟明文长度相等，而且只能用一次，而如此大量的密钥都需要人去送，如果信使被抓或叛变，秘密就全泄露了。因此，人们在实践中绝大多数时候用的都是基于数学问题的密码。这样需要传输的密钥少得多，但都可能被数学破解，也就是“有条件安全”。

　　20世纪80年代，人们发现用量子力学的原理有可能实现无信使的密钥分发。通信双方通过一系列量子力学的操作，可以获得一串相同的随机字符串，不需要第三者信使来传输。因此，量子保密通信的全过程包括两步：第一步是密钥的产生，这一步用到量子力学的特性，需要特别的方案和设备；第二步是密文的传输，这一步就是普通的通信，可以利用任何现成的通信方式和设施。量子保密通信所有的奇妙之处都在第一步上，它又被叫作“量子密钥分发”。

　　“墨子号”怎样领先世界的？

　　量子保密通信的一个技术关键是，一次只能发一个光子。如果一次发多个光子，敌人就可能窃密了。这对卫星与地面的连接是一个巨大的挑战，但“墨子号”确实做到了。例如“墨子号”与河北兴隆的地面站对准时，红光是兴隆站发出的信标光，绿光是“墨子号”发出的信标光。信标光不是用来通信的，而是用来对准的。因为通信用的是单光子，单光子是不可能让你看见的。这里的红光排成一个扇形，是因为画面由多个时间叠加，同时星星的移动也形成星轨，产生了美丽的艺术效果。

　　卫星相对地面不是静止的，而是在以每秒几千米的速度飞驰。所以这样的对准非常困难，好比“在50千米外把一枚一角硬币扔进一列全速行驶的高铁上的一个矿泉水瓶里”。

　　背后的量子信息原理

　　近40年来，量子力学跟信息科学结合，产生了一个新的交叉学科——量子信息。这是一个蓬勃发展的研究领域，人们普遍认为，量子信息跟可控核聚变、人工智能并列，属于颠覆性的未来科技。

　　我们平时用到的信息技术，手机是用来通信的；计算机是用来计算的；钟表、尺子、温度计等也可以算作信息技术，它们是用来测量的。相应地，量子信息也分为三个领域：量子通信、量子计算与量子精密测量。

　　例如GPS和北斗等卫星导航系统的核心技术叫作原子钟，它是目前最精确的定时装置，基于一个原子在两个能级之间跃迁发出的光的频率来定时。原子钟就是典型的量子精密测量技术。又如，潘建伟院士、窦贤康院士和徐飞虎教授团队发展的“隔墙观物”技术，基于单光子探测的进步，我们可以通过墙壁的漫反射看到物体，探测距离长达1.43千米。也就是说，如果有个恐怖分子躲在1.43千米外的房间里，警察就能发现他。而且他完全意识不到，因为用的是红外光。

　　量子信息不但可以提高探测性能，还可以做到以前不可能的事。例如科幻电影中的传送技术，以前是完全的幻想，而现在对应一个真实的技术——量子隐形传态，属于量子通信领域。中国在量子隐形传态方面，也走在世界前列。

　　天地一体化的量子通信

　　2017年9月29日，世界首条量子保密通信骨干网——“京沪干线”正式开通。这是继2016年“墨子号”升空以来，量子科技领域的又一个重大的进步。

　　“京沪干线”和“墨子号”是实现远距离量子通信的两条技术路线，好比高铁和飞机是实现远距离交通的两条技术路线。“京沪干线”在北京、济南、合肥、上海的内部量子网络的基础上，通过32个中继节点（包括两端）把它们连接起来。这样，就可以在2000千米的范围内，实现量子保密通信。

　　“京沪干线”是把中继器建在地上，而量子卫星相当于用卫星作中继器。通过卫星的中继，能实现跨省甚至跨洲的量子通信。在2017年9月29日的新闻发布会上，中国科学院时任院长白春礼院士通过“墨子号”与奥地利地面站的卫星量子通信，与奥地利科学院院长安东·塞林格进行了世界首次洲际量子保密通信视频通话。

　　一颗卫星能覆盖的范围还有限。将来如果由20颗卫星组成星座，就可以实现全球量子保密通信。　　  （袁岚峰文，作者系中国科学技术大学合肥徽尺度物质科学国家研究中心副研究员、中国科学技术大学科技传播系副主任）