崔金泰

2016年8月16日，我國成功發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，展現(xiàn)了我國空間研究取得突破性進展，標志著中國將在世界上率先實踐衛(wèi)星與地面之間的量子通信。量子通信是目前人類已知唯一無法破解的最安全的通信方式。

量子通信，安全“大衛(wèi)士”

說起量子衛(wèi)星，就得先講講什么是量子。對一般人來說，“量子”一詞似乎有點深奧，難以理解。實際上，量子是組成物質(zhì)的基本單元，是能量不能再分割的最小單位。如，量子是光能量的最小單位，不存在“半個光子”。

量子通信的安全性，就是基于單個光子的不可分割性和量子態(tài)的不可復(fù)制性，從而保證了信息不被竊聽和不可破解的安全性。

量子通信絕對安全，還因為量子有兩個基本特性，即量子的疊加和量子糾纏。量子疊加，是指一個量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。也就是說，任何一個干擾包括光照都會使量子改變狀態(tài)，即它剛才還在隨機蹦跶，忽然就停止不動了，變幻莫測。

著名的“薛定諤虐貓”理論就形象描述了這一現(xiàn)象：裝在盒子里的貓，在盒子沒打開時，貓可以同時既是活的又是死的，只有打開看才知道。這表明，量子狀態(tài)隨機變化，兩種狀態(tài)可疊加存在，這就是量子的疊加態(tài);量子糾纏，是指量子間具有像孫悟空和其分身那樣“心有靈犀”的功能，兩個量子無論相隔多遠，若對其中一個量子態(tài)做任何改變，另一個會立刻感受到，并做相應(yīng)的狀態(tài)改變，這就為遠距離同步傳遞不被破解的信息提供了可能性。

歐洲、美國、日本等國的科學(xué)家很早就對量子通信進行研究實驗，但由于種種原因而成效甚微。我國研究量子通信雖然起步較晚，于2011年才啟動量子衛(wèi)星研制計劃，然而在黨和國家極其重視和大力支持下，一舉獲得開創(chuàng)性的突破，成功地發(fā)射了“墨子號”量子衛(wèi)星，成為這一科技領(lǐng)域的領(lǐng)路者。

“墨子號”開創(chuàng)安全通信新時代

“墨子號”量子衛(wèi)星發(fā)射后，將實驗遠距離傳輸不可破解信息的方式，即衛(wèi)星升空后，其主要任務(wù)是建立一個量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，并在太空中首次進行量子糾纏分發(fā)實驗，從而展現(xiàn)一種讓用戶免受最精明的竊聽者傷害的安全網(wǎng)絡(luò)，開創(chuàng)安全通信的新時代。

潘建偉院士是研制“墨子號”量子衛(wèi)星的領(lǐng)軍人物。20世紀80年代初，法國科學(xué)家阿蘭·阿斯佩首次用實驗證實了“量子糾纏”現(xiàn)象存在后，潘建偉于20世紀90年代赴量子力學(xué)創(chuàng)始人薛定諤的祖國奧地利留學(xué)，學(xué)習(xí)最先進、最完整的量子科學(xué)知識，奠定了其在量子科學(xué)方面的基礎(chǔ)。潘建偉學(xué)成回國后，很快就投入到量子通信方面的研究實驗。

2003年，潘建偉研究小組正式成立，主攻自由空間量子通信方面的研究。他們在實驗點制備出成對的糾纏光子，再利用專門設(shè)計加工的發(fā)射望遠鏡將容易發(fā)散的細小光束“增肥”后，向東西相距13千米的兩個實驗站發(fā)送。然后，實驗站的接收端用同樣型號的望遠鏡收集。實驗人員發(fā)現(xiàn)，在如此遠距離的傳送中，竟有許多糾纏光子“夫妻對”仍能保持相互糾纏狀態(tài)，其攜帶信息的數(shù)量和質(zhì)量完全能滿足基于衛(wèi)星的全球化量子通信的要求。

在國家的大力支持下，量子衛(wèi)星研制團隊經(jīng)過精心研究實驗，終于在2016年8月16日將我國研制的世界首顆量子衛(wèi)星成功發(fā)射。這次發(fā)射不僅使我國走到世界量子通信研究領(lǐng)域的最前沿，更重要的是，它使我們在獲得網(wǎng)絡(luò)安全“圣杯”（即令黑客無法滲透的數(shù)字通信系統(tǒng)）方面大大領(lǐng)先于全球競爭對手。

全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)，起步

首顆量子衛(wèi)星上天，我國在國際上將率先實現(xiàn)高速星地量子通信，借助連接地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)成全球量子通信網(wǎng)絡(luò)。

據(jù)潘建偉院士透露，京滬干線大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程將于2016年下半年完工交付。該工程將構(gòu)建千公里級高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，并建成大尺度量子通信技術(shù)驗證、應(yīng)用研究和應(yīng)用示范研究平臺。

參與量子衛(wèi)星研制的奧地利科學(xué)家/潘建偉導(dǎo)師蔡林格強調(diào)說：“量子衛(wèi)星有助于信息傳遞者和接收者遠距離交換令信息無法破解的密鑰，而量子衛(wèi)星將首先同北京交換密鑰，今后還可在北京和維也納之間分發(fā)量子密鑰”，逐步構(gòu)筑成全球量子通信網(wǎng)絡(luò)。

值得慶賀的是，“墨子號”衛(wèi)星發(fā)射后一直表現(xiàn)很好，所有參數(shù)都已達標，有些甚至高于預(yù)期?！澳犹枴毙l(wèi)星發(fā)射升空一周時，中科院國家天文臺興隆觀測站觀測到罕見的紅、綠光束。人們形象地說，“墨子號”實現(xiàn)了天地“握手”， 這一觀測顯示“墨子號”可以正常通信聯(lián)系了。

量子通信，許你美好未來

目前，量子通信這一“永不被破解”的信息安全傳輸方式，已在市場上得以產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，如工商銀行等多家銀行率先試用量子通信加密技術(shù)。工商銀行通過國盾的量子加密技術(shù)，將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)中心傳輸?shù)酵堑牧硪粋€機房內(nèi)。這樣做是因為通過設(shè)備產(chǎn)生量子密鑰，再對數(shù)據(jù)進行加密傳輸是不會被竊取的，這對金融數(shù)據(jù)傳輸非常必要。

早在2008年10月，中國科技大學(xué)通過實驗將合肥市內(nèi)的本校區(qū)、杏林苑、濱湖新區(qū)三個本不相干的點連接在一起。由于這三個點組成三節(jié)點可擴展的量子通信網(wǎng)絡(luò)，因而實現(xiàn)了全球首個量子保密電話系統(tǒng)建設(shè)，開創(chuàng)了量子通信網(wǎng)的先河。隨后，五節(jié)點，四十六節(jié)點，合肥、濟南城域網(wǎng)，“京滬”城際網(wǎng)……量子通信網(wǎng)在不斷擴張。

如今量子通信衛(wèi)星發(fā)射成功后，量子通信網(wǎng)絡(luò)如虎添翼，就能真正升到“廣域”“洲際”傳播，為信息保密傳輸開辟了“天地一體”的廣闊天地。預(yù)計今年12月貫通的量子通信京滬干線（總長2000多千米）建成后，將主要用于軍事、金融、政務(wù)等領(lǐng)域的信息安全傳輸。此外，媒體、大型企業(yè)、金融機構(gòu)等都可以成為量子通信用戶。量子通信關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，初步形成構(gòu)建空地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系的能力，并在全天時量子通信上取得突破。

量子通信的應(yīng)用前景美好，但普及應(yīng)用是逐步進行的，就像電話、手機的普及過程一樣。起初，量子通信會應(yīng)用于科學(xué)研究、國防、政務(wù)和金融等領(lǐng)域，之后才會在大眾中廣泛應(yīng)用。至于要讓每個人都能用上，估計需要10至15年。屆時，每個人的家里、手機上或許會有一個量子加密芯片，銀行轉(zhuǎn)款、電子賬戶等涉密操作將不用擔心被盜用或者遭到攻擊。

量子計算機，有望走入現(xiàn)實

更引人注目的是，隨著對量子科學(xué)的深入研究和量子衛(wèi)星的成功發(fā)射，進一步促進了量子計算機的發(fā)展。

在“墨子號”發(fā)射前不久，中國科技大學(xué)量子實驗室成功研發(fā)出半導(dǎo)體量子芯片和量子存儲技術(shù)，取得了量子計算機研制的突破性進展。量子芯片用于計算機的邏輯運算和信息處理，被稱為計算機的“大腦”;有了量子存儲裝置，科學(xué)家利用它能實現(xiàn)超遠距離的量子信息傳輸。因此，該技術(shù)的突破特別振奮人心。

為什么要研制量子計算機？早在1981年，物理學(xué)家理查德·費曼就提出了此觀點：如果用傳統(tǒng)電子計算機模擬量子力學(xué)，那么微觀粒子的數(shù)量越多，計算量就越大，也就越不可能實現(xiàn)模擬。這種情況下要實現(xiàn)量子力學(xué)的模擬，就必須釆用和它的原理相同的方式。人們認為他的說法有道理，而且也得到事實的證明。于是，量子力學(xué)和計算機科學(xué)便開始結(jié)合，人們開始研究量子計算機了。

量子計算機優(yōu)勢大，關(guān)鍵在于它一個量子位可同時處于0和1兩個狀態(tài)，這是由量子疊加特性決定的。與此形成對比的是，傳統(tǒng)電子計算機中的晶體管一次只能處于0或1的狀態(tài)。如此一來，如果要進行海量運算量子計算機更合適。

因為，傳統(tǒng)電子計算機只能按時間順序來進行運算;而量子計算機能做到超并行運算，即它的N個量子位可同時表示2的N次方個狀態(tài)，數(shù)量呈指數(shù)增長。譬如，目前我國性能最強大的天河二號超級計算機需要100年才能處理的任務(wù)，一臺量子計算機只需0.01秒就能完成。

因而，量子計算機適用于龐大運算量的項目，如太空探測、核爆模擬、密碼破解、氣候變化、藥物研究和模擬復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)等。量子計算機對解決精確的天氣預(yù)報和大城市交通擁堵等難題，也能大顯身手，迎接挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在量子計算機研制已露出希望的曙光，出現(xiàn)這種具有高超速運算能力的計算機已為時不遠。目前，中國科技大學(xué)研制的量子芯片已達到容錯計算的精度，但邏輯比特數(shù)量僅有3個，當邏輯比特數(shù)量超過30個時，量子計算的性能將超越傳統(tǒng)計算機?？磥?，量子計算機由科幻變?yōu)楝F(xiàn)實已指日可待。

知識鏈接 “墨子號”小檔案

“墨子號”量子衛(wèi)星外形呈立方體，高約1.7米，重640千克。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為上下兩層：上層是與實驗相關(guān)的量子衛(wèi)星的核心裝置;下層則為衛(wèi)星的常規(guī)裝置。這顆量子衛(wèi)星是我國空間科學(xué)先導(dǎo)專項首批科學(xué)實驗衛(wèi)星之一，其主要科學(xué)目標：一是進行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破;二是在空間尺度進行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗的實驗研究。