中国独领风骚的量子通信卫星技术

薛定谔的猫和量子通信

多数人都不大理解量子通信和与量子相关的科学道理，不过很多人都听说过在网上被戏称为“虐猫狂魔”的薛定谔所提出的“薛定谔的猫”的故事：薛定谔假设在一个封闭的盒子里放入放射性元素和毒气瓶，还有一只猫，当放射性元素衰变时，会触发毒气瓶释放毒气，猫会被瞬间毒死。因为放射性元素虽然一定会衰变，但具体何时会衰变是无法预知的，所以在打开盒子之前，猫可能是活着的，也可能已经死了，也就是说猫处于生死叠加的状态。当你观察到猫时，才能确定其生死，不观察时这只猫是既生又死的。

这看似荒唐而又违背逻辑的问题，其实间接阐释了量子世界的一个特殊性质，那么什么是量子呢？量子是不可再分割的最小能量单位，量子通信中重要的“光量子”就是光的最小单位。在奇特的量子世界里，量子存在一种奇妙的“纠缠”运动状态，就像薛定谔的猫一样，没人观察时，量子的状态是有多种可能的，只有人们在观察时，才知道粒子的样子和状态。但在物理学上，每一次对纠缠光子的观测都会破坏其原本的状态，就好比一个孩子吃冰淇淋，他必须尝一口才知道它的味道。但当他品尝时，冰淇淋就已经发生了改变，不再是之前的冰淇淋了。

正因为这种量子纠缠的特性，决定了量子通信的绝对保密性，也就是用量子信号发送信息时，任何试图窥探这一信息的行为都会导致量子出现改变，使得信息失真，也就没有办法获取真实的信息，因此在理论上，量子通信是绝对保险的，是无法被破译的信息传输方式。

只有拥有彼此纠缠的量子的双方，才能获取真实的信息，就好比拥有超能力的两个人彼此心意相通，就算远隔千里，也能知道彼此的想法，而旁人没法理解他们传递信息的方式，只能干瞪眼。

当然，量子通信说起来似乎简单，但要做到却极度困难，量子物理学发展历史不过百年，存在着无尽的谜团，还有很多亟待解决的问题和假说。那么，将量子通信实用化，并运用到卫星上，就成了一件非常伟大的事情，也是当今世界的尖端科技，而第一个做到这一点的国家，就是我们的祖国。

开启量子通信新时代

我国的“墨子”号量子科学实验卫星于2016年8月16日1时40分，在酒泉用“长征二号”丁型运载火箭成功发射升空。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。

首颗量子通信卫星为什么要以我国古代思想家、科学家墨子的名字来命名呢？在2000多年前，墨子在人类历史上第一次对光沿直线传播进行了科学解释—这在光学当中是极为重要的原理，为量子通信的发展打下一定基础。光量子学实验卫星以先贤墨子命名，也是中国文化自信的体现。

在世界各国研发量子通信的过程中，中国属于后来者，但发展极为迅速，如今已跻身国际一流的量子信息研究行列，在量子通信技术方面已经走在世界前列。我国已建设完成合肥、济南等规模化量子通信城域网，“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网也接近竣工。但要实现远距离乃至全球范围内的量子通信，只靠光纤量子通信技术还是不够的。

因为光纤量子通信基本只能在短距离进行，超过100千米就难以继续，而光量子通信穿透整个大气层后还可以保留80%左右，再利用卫星中转，可实现地面相距数千千米间的、甚至覆盖全球的广域量子保密通信。

但研究量子通信技术是非常困难的，要做到量子通信，首先要制备出单个的光量子。有人也许会说能发光的东西很多啊。是的，能发光的东西很多，但关键是它们制造的光量子太多了。一个15瓦的灯泡每秒辐射出的光量子数量就达到100亿亿个，实现单个光量子的制备，就好比在这天文数字般的光量子发射出来的瞬间，捕捉其中的一个，技术难度实在巨大。另一个难题是单个光子的探测。单个光子是光能量的最小单元，能量极小，探测设备必须极为灵敏才行，这就对仪器设计水平和工业制造水平提出了巨大挑战。(www.xing528.com)

捕捉并探测到单个量子之后，除了可以实现绝对安全的通信外，还能带来计算能力的飞跃，前提是要把一个个的量子纠缠起来，而计算能力的飞跃达到一定程度，就能实现量子计算机制造。当然量子计算机目前还在进一步的研制当中，但相信在未来一定可以成功。量子计算机的计算能力有多强大呢？如果把量子计算机比作大学教授，现在的超级计算机就只是幼儿园的小孩子。

而一旦量子计算机被发明出来，就足以在短时间内破译现在的任何密码。而唯一能够避免被破译的方法，就是量子通信，因此量子科技是一柄双刃剑，既是机遇又是挑战。

量子通信，可以从三方面保障信息安全：第一，发送者和接收者间的信息交互是安全的，不会被窃听或盗取。第二，“主仆”身份自动确认，只有主人才有权使唤“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传递的信息被篡改，使用者马上就会得知。

不过很多人在了解了一些关于量子通信的皮毛后，误认为是量子通信证明空间传输物体已经可行，其实现在只能传递一组信息，还不能传递实物。但这已经是非常巨大的科技进步。

中国发射了量子通信卫星，说明我国在打造坚不可摧的通信系统方面已经铺平了道路。量子科学实验卫星不仅是科研项目，也意味着中国将成为全球量子通信技术的领头羊，为中国继续扩大国际影响力奠定坚实的基础。

“墨子”号的成功发射，使我国在世界上首次成功实现卫星和地面之间的量子通信，是构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系的开端。

前景无限的光量子计算机

量子技术绝不是只能用于通信，而是有着更加广阔的应用空间，而最受世人关注、被认为会给世界带来最大影响的还是光量子计算机。光量子计算机有什么特别呢？假设给我们100万本书，让我们完全靠人力找出这些书里所有的“人”字，我们的唯一办法就是一本接一本地逐页去找，而如果换成传统的计算机，用的方法也是如此，但因为计算机超强的计算能力，所以速度远超人力。如果换成光量子计算机来做，则是利用量子技术和量子纠缠原理，犹如会分身术一样，分成相当于100万个传统计算机，每一个查找一本书，最后把查找得到的数据汇总得出结果，也就是说速度至少是传统计算机的100万倍。

这样的计算机当然是每一个科研工作者梦寐以求的，不过长期以来光量子计算机只存在于理论当中，人们无力将其化为现实。但在2017年5月3日，中国科学技术大学教授、中国科学院院士潘建伟，在上海宣布制造了世界首台性能超越早期传统计算机的光量子计算机，实现10个超导量子比特纠缠，在操纵质量上也是全球领先。这是中国人在计算机发展史上实现的一次重大跨越！

目前，我们制造的光量子计算机虽然还无法拥有理论上那样强大的功能，但已经拉开了光量子计算技术新时代的序幕。