我国7月发射 世界首颗量子卫星 将首次实现 量子通信 

记者28日从中科院获悉，我国首颗同时也是世界首颗量子科学实验卫星将于今年7月择机发射，将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建一个天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。量子卫星发射后，天地一体化量子科学实验系统将投入正式运行，完成包括星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等多项科学实验任务。

量子世界

  量子卫星、粒子传输，看到这些名字是不是感觉很科幻？

下面就来给大家普及一下，什么是量子。在好莱坞电影《蚁人》中，主角斯科特为了拯救世界，把自己无限缩小，最后进入的就是“量子世界”。

量子听起来很神秘，但它是微观世界里最小不可分割的基本单位，每天无时无刻不充斥在我们身边，比如，我们日常生活中常见的光，就是由大量光量子组成的。

量子通信

 量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通信是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。

量子计算机

量子计算机，是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算，也是量子计算机最重要的优越性。

“京沪干线”今年下半年交付

  构建天地一体化量子通信体系

量子卫星首席科学家、图书馆VIP教授、中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心主任潘建伟院士介绍，量子科学实验卫星专项将研制及发射1颗量子科学实验卫星，建设以4个量子通信地面站和1个空间量子隐形传态实验站为核心的空间量子科学实验系统。该卫星搭载量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验控制与处理机等有效载荷，具备两套独立的有效载荷指向机构，通过姿控指向系统协同控制，可与地面上相距千公里量级的两处光学站同时建立量子光链路。

量子卫星发射后，天地一体化量子科学实验系统将投入正式运行，完成包括星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等多项科学实验任务。

潘建伟还透露，“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网工程预计今年下半年交付。这一工程将构建千公里级高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，建成大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范平台。结合量子卫星和京沪干线，将初步构建我国天地一体化的广域量子通信体系。

作为中科院空间科学先导专项的第三颗科学卫星，量子科学实验卫星2011年正式立项。经过5年研制，卫星已经完成总装，正在进行出厂前的最后一轮加电测试。在通过出厂评审之后，量子卫星将于今年6月转运到酒泉卫星发射中心。

量子隐形传态

  “星际旅游” 迈出第一步

去年，《自然》杂志发表封面文章，介绍了潘建伟项目组的“多自由度量子体系的隐形传态”研究，这个技术可以让科学家在异地瞬间获知粒子状态。

如果能够对构成物体的每一个粒子进行测量，然后在目的地用同样的粒子完全复制其状态，就可以得到一模一样的物体。潘建伟在接受媒体采访时打了个形象的比喻：“从合肥带到北京一个保险箱，钥匙忘带了。于是我请合肥的同事测量一下钥匙，告诉我，我在北京复制它。”这个比喻形象的解释了潘建伟院士关于量子的研究成果，可以让我们“瞬间移动”。

潘建伟说，项目科学家们有一个雄心的目标，要把地面上的“态”传到卫星，当然，现在只能传单个粒子，因为毕竟地面和卫星中间，是千公里的量级，但是至少目前已经走出了第一步。

“大家都想离开太阳系去看看，但毕竟寿命是有限的，如果我们坐目前的宇宙飞船的话，人类还没飞出去，生命就结束了。那么我们将来如果以这种量子隐形传态的方法星际旅行的话，是可以光速进行的呀！将来可以一站一站的传送。”不过潘建伟院士也说了，要传送更为复杂的东西现在还是一种科学的幻想，近期肯定不可能，但一个粒子的传输，在这一两年内就可以实现了。

量子卫星要干啥？

量子卫星工程常务副总师兼卫星总指挥、中科院上海技术物理所王建宇研究员告诉记者，作为中科院先导计划中空间计划的一部分，量子卫星需要在两年的设计寿命中完成三大任务：卫星和地面绝对安全量子密钥分发、验证空间贝尔不等式和实现地面与卫星之间隐形传态。

这些实验将通过我国自主研发的星地量子通信设备完成，它能够产生光子并“发射光子”，与之对接的地面系统则负责“接收光子”，这种“发球、接球”需要超高精度地瞄准、捕获和跟踪。

为了让穿越大气层后光子的“针尖”仍能对上接收站的“麦芒”，王建宇团队从2012年起就做了各种实验——如收发距离40公里的转台实验，与卫星绕地运行的角速度一致；又如30公里距离的车载高速运动实验，考验超远距离“移动瞄靶”能力；再如热气球浮空平台，在空地环境下模拟了量子密钥分发。

量子通信 达到无条件安全

既然瞬间移动啊、星际穿越啊，在现实上离我们还有些远，那目前的量子传输能给我们的生活带来哪些改变呢？“京沪干线大尺度光纤量子通信骨干网建成之后，将应用于金融、电子、政务等多方面领域的信息传输。”潘建伟说。“量子通信是指利用量子力学基本原理或基于物质量子特性的通信技术。它是结合量子技术与现代通信技术的一种新兴通信技术，在理论上可实现无条件安全的链路数据传输，被认为是保障未来通信安全最重要的技术手段。”北京邮电大学智能网络安全实验室主任李剑曾经这样解释过量子通信。

量子通信，就是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式。也就是说，使用量子通信传递信息，我们的信息安全可以得到很好的保障。在潘建伟的设想中，通过京沪干线的运用、验证，量子通信可以得到很好的推广，在不久的将来走进千家万户，每家每户的网上银行、网络支付、手机支付等，都能享受到量子通信所带来的安全性保障。“这个时间，我希望是10年吧！”潘建伟说。

“爱因斯坦的幽灵”

 还记得棱镜门吗？电子通信时代，人们的安全感就像窗户纸一样脆弱。潘建伟表示，随着计算能力的提升和数学的进步，基于计算复杂度的经典加密体系终将崩塌。公钥加密算法RSA512在1999年就被破解了，科学家估计目前主流的RSA1024将在2019年被攻克，尽管科学家们试图寻找更加复杂的算法，但“抗解密”效果都不理想。 在现代科学认知中，几乎任何已知事物都是可测的，但量子是个例外。在多粒子量子系统中，存在一种奇特的关联，即一对具有量子纠缠态的粒子，即使隔着一个太阳系，当其中一个状态改变时，另一个状态也会即刻发生相应改变。爱因斯坦等科学家最早发现了这一现象，因此这种量子间的纠缠现象也被戏称为“爱因斯坦的幽灵”。

在通信中，对方的语音，通过电话等有线无线终端，远距离传送到你的耳朵里。如果他人要窃听你们的对话，必须完成对话的复制过程，但如果要复制的信息由量子组成，恐怕在复制这一刻，内容早已“改头换面”了。“从理论上来说，量子通信是绝对安全的。”潘建伟说。

 量子计算机或将改变

  整个互联网加密系统

 麻省理工学院的研究者研制出基于5个原子的新型量子计算机，能够以具有可扩展性的方式实现质因数分解，这意味着目前基于大数质因数分解的互联网加密系统在量子计算机面前岌岌可危。

 15这个数的质因数有哪些？大多数小学生都记得答案——3和5。如果要求一个更大的数字，比如91的质因数，可能就需要笔和纸来演算了。而如果选取一个232位那么大的数字，可能需要花科学家两年的时间，通过几百台传统计算机的并行操作才能进行质因数分解。因为对较大的数做质因数分解极为困难，这种“质因数分解问题”就成了互联网加密方案的基础，保护着众多信用卡、国家机密以及其他机密信息的安全。然而，研究人员通过理论计算发现，一台量子计算机只要使用几百个并行原子就可以很容易地对大数进行质因数分解，从而解决这个问题。

这些最终对于未来的加密方案来说有什么意义呢？“首先，如果你是一个国家，你可能就不想继续依赖质因数分解法这种‘难于破解’的问题来公开储存你的机密了，”麻省理工学院的研究者表示，“因为一旦量子计算机出现，它们就可以迅速揭开所有用旧方法加密的信息。”

量子科技将颠覆人类未来

 作为超精细激光加工领域世界知名的科学家、教育部“长江学者”特聘教授，孙洪波目前的研究重心为量子芯片激光微纳制备研究。孙洪波日前在接受采访时表示，“量子技术是颠覆性技术”，而中国目前已经在量子芯片、量子通信、量子点显示等领域取得了突破，将为社会经济和人类生活带来深远、深刻的影响。

“在当前的信息技术中，量子科技是最具革命性前景的，给整个人类产生的影响完全是颠覆性的。”孙洪波认为，量子科技的未来充满无限可能，人类生活和社会生产都将因量子科技而深刻改变。他指出，量子通信系统现阶段的情况和1946年人类首台计算机刚出现的时候很相似，跟当时计算机诞生的意义一样重大。事实上，中国在量子通信上的成就正在引发全球关注。美国《大众科学》杂志网站3月4日文章刊发《中国量子科学实验卫星将永久改变加密学》一文，指出中国即将发射量子科学实验卫星的举动，为中国打造坚不可摧的通信系统铺平道路。这也意味着中国将成为全球量子通信技术的领头羊，为中国扩大国际影响力奠定基础。

“量子技术是颠覆性技术，它不是几万亿、十几万亿的概念，它对国防、对经济带来的完全是颠覆性的影响。”孙洪波认为，量子科技带来的，不仅是产业效益的增长，更重要的是，将对国防事业、经济发展产生深刻变革和长远影响。“可以说，人类未来将被量子科技颠覆。” 本版文图据新华社、东方IC等

西安日报2016年5月29日
http://epaper.xiancn.com/xarb/html/2016-05/29/content_428297.htm