2016年8月中旬，我國將擇機(jī)發(fā)射首顆“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”。如果衛(wèi)星成功運行，我國將成為世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間量子通信的國家，并結(jié)合地面已有的光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建一個廣域量子通信體系，在世界上率先實現(xiàn)全球化的量子保密通信。

眾所周知，通信保密在國防、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域具有重要作用。就目前和可以預(yù)見的將來來看，量子通信被公認(rèn)是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明能"無條件安全"的通信方式，可確保通信安全和提升計算速度。

量子世界中存在一種類似“心電感應(yīng)”的現(xiàn)象，即通常所說的量子糾纏。實驗驗證，具有糾纏態(tài)的兩個粒子無論相距多遠(yuǎn)，只要一個發(fā)生變化，另外一個也會瞬間發(fā)生變化。其原因目前還沒搞清楚。

　　量子糾纏示意圖

量子通信是利用量子的糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通信方式。它主要基于量子糾纏態(tài)的理論，使用量子隱形傳態(tài)的方式實現(xiàn)信息傳遞。

傳統(tǒng)的通信加密和傳輸安全都是依賴于復(fù)雜的算法，但是只要對方的計算能力足夠強(qiáng)大，再復(fù)雜的保密算法都能夠被破解，所以都不能夠做到絕對安全。量子通信的安全性基于量子物理基本原理，作為光的最小顆粒，單個光量子在傳輸信息的時候具有不可分割和不可被精確的復(fù)制兩大特性，從而能保證信息的不可竊聽和不可破解，因此，哪怕計算能力再強(qiáng)也是破解不了的。

量子通信是將信息編碼加載到單個光量子疊加態(tài)的偏振方向上。在量子保密通信過程中，發(fā)送方和接收方采用單個光量子的狀態(tài)作為信息載體來建立密鑰。由于單個光量子是光能量的最小組成單元，不能被再分割，所以在單個光量子發(fā)射的情況下，竊聽者無法將單個光量子分割成兩部分，讓其中一部分繼續(xù)傳送，而對另一部分進(jìn)行狀態(tài)測量獲取密鑰信息。又由于不可被精確的復(fù)制，所以竊聽者無論是對單個光量子狀態(tài)進(jìn)行測量或是試圖復(fù)制之后再測量，都會對光量子的狀態(tài)產(chǎn)生擾動，從而使竊聽行為暴露。

量子通信永遠(yuǎn)不會泄密的原因之一是，量子加密的密鑰是隨機(jī)的，即使被竊取者截獲，也無法得到正確的密鑰，因此無法破解信息；其二，分別在通信雙方手中具有糾纏態(tài)的2個粒子，其中1個粒子的量子態(tài)發(fā)生變化，另1個粒子的量子態(tài)就會隨之立刻變化，根據(jù)量子理論，任何干擾都會立刻改變量子態(tài)，使竊取者得到的信息遭到破壞，并非原有信息。

　　與成熟的傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，量子通信具有以下主要優(yōu)點：

一是保密性強(qiáng)。二是隱蔽性高，量子通信是一種完全無“電磁”的通信技術(shù)，現(xiàn)有的無線電探測系統(tǒng)無法對其進(jìn)行探測。三是應(yīng)用性廣，量子既可在太空中進(jìn)行通信，又可以在海底等惡劣條件下通信，還可以在光纖等介質(zhì)中進(jìn)行信息“傳遞”，可以應(yīng)用到各種應(yīng)用場景。四是時效性高，由于量子通信時延為零，能極大地提高通信速度。

近年來，我國科學(xué)家潘建偉院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊在自由空間量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗方面不斷取得國際領(lǐng)先的突破性成果，為基于衛(wèi)星的廣域量子通信和量子力學(xué)基礎(chǔ)原理檢驗奠定了堅實基礎(chǔ)。

　　“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”首席科學(xué)家潘建偉

雖然在光纖中可以實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，但由于光量子易被光纖吸收，存在固有的光量子損耗，與環(huán)境的耦合也會使量子糾纏品質(zhì)下降，導(dǎo)致信號在光纖傳送的過程中越來越弱，因此僅僅利用光纖難以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信。另外，近地面自由空間通道會受地面障礙物、地表曲率、氣象條件的影響，光量子傳輸難以在地面自由空間中向遠(yuǎn)距離拓展。

為此，發(fā)展量子衛(wèi)星通信是遠(yuǎn)距離光量子傳輸?shù)谋赜芍贰Ｋ芸朔乇砬省]有障礙物的阻礙；光量子在光纖中的損耗遠(yuǎn)高于自由空間的損耗，大氣對光量子的吸收和散射遠(yuǎn)小于光纖，并能保持光量子極化糾纏品質(zhì)。另外，受到地面條件的限制，很多地方無法鋪設(shè)量子通信的專用光纖。

　　“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”示意圖

我國將于2016年8月發(fā)射全球首顆“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”。該衛(wèi)星發(fā)射后，將是國際上首次實現(xiàn)空間大尺度的量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗，推進(jìn)人類對大尺度范圍量子力學(xué)規(guī)律的認(rèn)識，并帶動我國量子物理整體水平大幅提升。(專家：杭添仁 航天科普作家)