宋云鶴

摘要“墨子號(hào)”量子通信衛(wèi)星的成功發(fā)射預(yù)示著我國(guó)在量子通信技術(shù)發(fā)展上取得了巨大成功。量子通信作為一種無條件安全性的新型信息通訊方式也漸漸走入了人們的視野。本文首先從“墨子號(hào)”衛(wèi)星的發(fā)射探討了量子衛(wèi)星中所涉及的基礎(chǔ)科學(xué)問題，然后介紹了我國(guó)量子通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。相信在不久的將來，量子通信技術(shù)的發(fā)展將會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)生活帶來極大的改變和積極影響。

關(guān)鍵詞量子；墨子號(hào)；量子通信衛(wèi)星；量子通信

2016年8月16日凌晨1時(shí)40分，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”由我國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。全國(guó)人們?yōu)榇藲g呼雀躍，各大媒體也爭(zhēng)相報(bào)道這一科研壯舉。目前，我國(guó)已經(jīng)成為世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)太空一地面量子通信的國(guó)家，然而對(duì)于普通人來說基于量子物理學(xué)發(fā)展而來的量子通信技術(shù)依然是晦澀難懂的深?yuàn)W科學(xué)。那么，我們便基于量子衛(wèi)星的發(fā)射來談一談量子衛(wèi)星所涉及的基本科學(xué)問題。

1量子衛(wèi)星

1.1量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”名稱的由來

在我國(guó)古代，墨子先生不僅創(chuàng)立了墨家學(xué)說，更是在傳世的《墨經(jīng)》一書中提出了“光學(xué)八條”的理論。在“光學(xué)八條”中不僅描述了我國(guó)古代人民對(duì)光線的認(rèn)識(shí)，也設(shè)計(jì)出了我國(guó)最早的小孔成像實(shí)驗(yàn)，這是我國(guó)有關(guān)光學(xué)研究的基礎(chǔ)。為了紀(jì)念墨子先生，我國(guó)發(fā)射的全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星便被命名為“墨子號(hào)”。

1.2“量子”的定義

在1900年，著名的物理學(xué)家普朗克為了解釋黑體輻射現(xiàn)象提出了一個(gè)假設(shè)，即黑體輻射的能量只能取某一基本能量的整數(shù)倍?；谶@一假設(shè)，在之后幾十年的研究中，研究者們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其他物理量也表現(xiàn)出了不連續(xù)的量子化現(xiàn)象，那么這些物理量中所存在的最小的基本單位便可以稱之為量子。量子理論的提出嚴(yán)重地沖擊了古典物理學(xué)，到20世紀(jì)早期，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意便在普朗克

愛因斯坦的光量子論和玻爾的原子論的啟發(fā)下建立了量子力學(xué)理論。量子力學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的多個(gè)領(lǐng)域中均有應(yīng)用和突出貢獻(xiàn)，而量子通信技術(shù)也是基于量子力學(xué)發(fā)展而來的，對(duì)未來科學(xué)技術(shù)和文明的進(jìn)步具有重要意義。

1.3量子通信

量子通信是利用量子態(tài)和量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息或密鑰傳輸?shù)男滦屯ㄐ欧绞?。量子通信的主要目的便是保證信息傳輸過程中的無障礙傳送和信息安全。而在量子通信技術(shù)研究之前，人們?yōu)榱吮ＷC傳輸信息過程中的安全問題，便選擇對(duì)所傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密。信息加密便是將我們要傳輸?shù)男畔ⅲā懊魑摹保┺D(zhuǎn)化成別人不可識(shí)別的亂碼（“密文”）。在20世紀(jì)前中期，信息加密技術(shù)依然有其優(yōu)越之處，也是人們普遍使用的方法。但是，電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使基于特定參數(shù)所建立的密鑰并不再安全。隨著現(xiàn)代電子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，直至量子計(jì)算機(jī)的研制成功，計(jì)算機(jī)的能力急劇加強(qiáng)，那么這種基于基本算法的信息加密技術(shù)在量子計(jì)算機(jī)面前形同虛設(shè)。為了保障新時(shí)代背景下的信息安全，量子通信技術(shù)得到快速發(fā)展。量子通信是基于早期的對(duì)稱密碼：“一次一密”。一次一密的概念在1917年由Vernam提出，然后于1949年被Shannon證明是無條件安全的。隨著量子理論的發(fā)展，在1984年，科學(xué)家Bennett和Brassard首次提出了第一個(gè)實(shí)用性的量子密碼的通信協(xié)議，該協(xié)議以兩者的名字命名。在其后，美國(guó)科學(xué)家完成了世界上第一個(gè)量子信息傳輸實(shí)驗(yàn)，從此量子通信技術(shù)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的時(shí)期。在1995年，我國(guó)中科院物理所在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了試驗(yàn)性質(zhì)的量子信息傳輸實(shí)驗(yàn)。進(jìn)入21世紀(jì)之后，量子通信技術(shù)蓬勃發(fā)展，先后實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離信息傳輸和量子密碼傳輸。

量子通信技術(shù)在信息傳輸?shù)陌踩院蛡鬏斈芰ι暇哂袠O大的優(yōu)勢(shì)。首先，在利用量子通信技術(shù)傳輸信息的過程中，由于信息的載體是光量子，而光量子的量子狀態(tài)是難以截獲的，因而利用量子通信傳輸?shù)男畔⑹遣豢赡鼙槐I取的。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，利用量子通信技術(shù)傳輸?shù)男畔⑹菬o條件安全的。其次，在量子通信過程中，量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無障礙通信。所謂的量子糾纏態(tài)，便是兩個(gè)相互糾纏的粒子，當(dāng)其中一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)立即發(fā)生相應(yīng)的變化。這種無視空間距離的和即時(shí)的信息傳輸能力是量子通信的巨大優(yōu)勢(shì)。

1.4量子通信衛(wèi)星

量子通信衛(wèi)星是量子通信技術(shù)中的重要硬件設(shè)施。簡(jiǎn)單來說，量子通信衛(wèi)星的作用就是為傳輸?shù)男畔⒎峙涿荑€。量子通信過程中，負(fù)載信息的光量子在傳輸?shù)倪^程中會(huì)逐漸衰減直至消失，因此光量子的傳輸存在著距離的限制。一般而言，當(dāng)光量子在空氣中傳播100km時(shí)，光量子的信號(hào)已經(jīng)難以檢測(cè)到了。但是，量子通信衛(wèi)星在太空中進(jìn)行光量子傳輸時(shí)，光信號(hào)在到達(dá)地表之前僅僅需要經(jīng)過10km左右的大氣層，地面基站可以輕松地收到量子通信衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)。量子通信衛(wèi)星先向地面基站發(fā)送量子密鑰，經(jīng)過比對(duì)之后建立絕對(duì)不可破譯的量子密鑰，繼而擁有相同量子密鑰的兩個(gè)地面基站，便可以把已經(jīng)加密的信息通過傳統(tǒng)的信息傳輸方式（如互聯(lián)網(wǎng)、無線電話等）互相傳輸，而且所傳輸?shù)男畔⒁彩墙^對(duì)安全的。量子通信衛(wèi)星的使用可以實(shí)現(xiàn)全球距離的信息傳輸。

2我國(guó)量子通信技術(shù)的發(fā)展

1）我國(guó)國(guó)家政策和戰(zhàn)略布局高度重視量子通信技術(shù)的研究和發(fā)展。量子通信技術(shù)已被列入國(guó)家“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃綱要中，屬于國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的具有引領(lǐng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ那把丶夹g(shù)。

2）我國(guó)的量子通信技術(shù)布局較早，發(fā)展較快，成果也更為顯著。早在1995年，中科院物理所便在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了我國(guó)首個(gè)的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)演示。在其后，我國(guó)先后成立了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子物理與量子信息研究部、中國(guó)科學(xué)院量子技術(shù)與應(yīng)用研究中心和中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心。這些研究中學(xué)的成立將會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)量子通信技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，使我國(guó)的量子通信技術(shù)研究始終走在全球前列。

“墨子號(hào)”衛(wèi)星的發(fā)射僅僅是開始，在未來更多的量子衛(wèi)星將會(huì)發(fā)射升空，進(jìn)一步為我國(guó)建立洲際量子通信，乃至全球量子通信網(wǎng)絡(luò)。

3結(jié)論

隨著量子衛(wèi)星的成功發(fā)射，未來我國(guó)將建立完備的量子通信領(lǐng)域科研和實(shí)驗(yàn)體系。作為高新科學(xué)技術(shù)的代表，量子通信技術(shù)的發(fā)展是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志?，F(xiàn)階段，我國(guó)在量子通信技術(shù)領(lǐng)域己達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，為下一步建立全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)將引領(lǐng)全球量子通信技術(shù)的發(fā)展，“墨子號(hào)”衛(wèi)星的成功發(fā)射是成功也是挑戰(zhàn)。我相信，在不久的將來量子通信網(wǎng)絡(luò)的建立將會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)生活帶來極大的改變和積極影響。