【科普秀】我国发射全球首颗量子卫星 解密什么是量子通信

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千龙网综合报道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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

8月16日凌晨，我国成功发射了以“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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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“量子科学实验卫星”工作示意图。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

一、科普时间：神奇的量子世界7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

问：量子究竟是什么？7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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：7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

——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”。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

——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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

问：世界上真有“绝对安全”的通信吗？7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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？7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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”。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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？7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

问：量子技术什么时候才能“飞入寻常百姓家”？7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

问：量子科学和技术究竟将带来一个怎样的未来？7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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二、为何要发射量子卫星7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

那为什么还要把量子实验室从地面搬到太空呢？7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

“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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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。7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

“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。”7cG鄂东网|xianzhaiwang.cn

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