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一文看懂丨我国成功发射全球首颗量子卫星，量子是什么？有啥用？

21世纪经济报道 · 公众号 · 财经 · 2016-08-16 17:23

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导读： 今天早上，小编突然发现手机被一个古代名人的名字刷屏了！这个名字叫“墨子”。细细一看才知道，这个“墨子”可不得了，它是 世界首颗 量子科学实验卫星，完全是 中国造 ，于16日1时40分 发射成功 ！

量子科技虽然听起来“高大上”，可实际上很“接地气”。到本世纪初，在人们的周围随处可见直接或间接运用量子理论的技术和装置。

从常见的CD唱片机到庞大的现代光纤通信系统、从无水涂料到激光制动车闸、从医院的磁共振成像仪到隧道扫描显微镜……量子技术已经渗透到人们的生活中。

而“墨子号”就拥有一项独步天下的本领：量子通信！量子通信的最大特点是所有的数据和信号传输都绝对保密，再也不必担心信息被窃取，这是一项惠及千家万户的科学技术。

量子科技的进步不但推动了通信安全的提升，还将带来计算能力的飞跃。量子卫星首席科学家潘建伟介绍，利用万亿次经典计算机分解300位的大数需要15万年，而利用万亿次量子计算机，只需要1秒。同样，在大数据和人工智能里，求解一个亿亿亿变量的方程组，利用目前最快的亿亿次“天河二号”计算机大概需要100年左右，但是如果利用万亿次的量子计算机，只需要0.01秒。

量子计算的应用将非常广泛，而这可能大大改变人类的生活。因为量子技术不仅可以解决大规模的计算机难题，进行气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探，而且还能揭示新能源新材料、高温超导、量子霍尔效应等复杂的物理机制。

“随着量子技术的发展，未来五年，量子科技将在金融、通信等领域率先得到应用，十年后大的机构可能会参与进来，也许十五年后，可以做量子加密芯片惠及大众，届时银行转款等都不用再担心账号被盗用或遭遇黑客攻击。将来在人类生活中，来自量子世界的果实会无处不在。”潘建伟说。

什么是量子？量子用来干啥的？

（图片来源：中科院之声）

“墨子号”的三大绝技

绝技一：打造史上最安全全球通信网

以往被认为最安全的信息传递方式是光纤通讯。光缆能把所有的光能限制在光纤里，外面得不到能量，所以这个传输被认为是安全的，但随着科技发展，只需让光缆泄露哪怕很少一部分能量，就能够窃听光缆传递的信号。

科学家表示，这是因为经典通信的信号只有0和1，发生窃听时，这两种信号不会被扰动。比方说，两人打电话时，他人可通过窃听器从通信线路中的上千万个电子中分出一些电子，使其进入另一根线路，从而实现窃听，而通话者无法察觉。“棱镜门”等事件的曝光便是最好的例证。

而量子通信则完全不会出现这个问题，这是因为其密钥具有不可复制性和绝对安全性。一旦有人窃取密钥，整个通信信息就会“自毁”并告知使用者。

比如，甲、乙二人要进行安全通信，甲发出的光子信息状态有水平、竖直、45°等，假设有人窃听，由于光子不可分割，首先窃听者根本无法分割出“半个光子”；其次，因为单次测量测不准、不可克隆的量子态特性，窃听者无法复制信息；第三，一旦窃听者截获光子，乙就收不到信息，也就不存在窃听。

无论怎样，根据量子力学原理，窃听都可以被发现。一旦被发现，原有密钥立即作废。甲就可以把没有被窃听的密钥传送过去，利用产生的密钥进行完全随机的加密。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性可以实现安全量子密钥分发，实现不可破译的保密通信。

换句话说，量子卫星上天后，其发送的每一封信都将是只有天知地知，你知我知的秘密。

此次量子卫星发射也是为了实现天地之间的量子保密通信做准备，如果能成功，将意味着我国有望建成大范围的全球量子通信网络。

绝技二：让信息跨时空穿越

孙悟空翻筋斗云，一瞬间跨越十万八千里，电影《星际穿越》里，物体可以从此处消失，彼处出现，这些场景虽然匪夷所思，却在量子世界里可以实现。因为在量子理论对世界的描述中，一个物体可以同时处于多个位置，粒子也可以无阻碍似地穿过障碍物。

量子，被科学家称为物理世界的“小精灵”，它不是一种粒子，而是一个能量的最小单位，包括分子、原子、电子、光子等在内的所有微观粒子都是量子的表现形态。因此从某种程度上说，人类就是一个庞大量子的集合！每一次的呼吸，都包含着上万亿量子的进出！

量子“精灵”可不是浪得虚名，它自带的高超技能连物理学家都无法解读。如果两个量子粒子处在特殊的状态（俗称纠缠态）中，不管其空间分离得多远，当对其中一个粒子施行操作或测量，远处的另一个粒子状态会瞬时地发生相应的改变，就像一些双胞胎之间存在的心电感应。爱因斯坦称这个现象为“幽灵般的超距作用”，而究竟为什么会这样，科学家们至今都无法破解。

虽然现在还弄不清量子纠缠的原理，但科学家们却可以利用这一现象作为通信的手段。利用量子纠缠技术，通过量子密钥传输和量子隐形传态的方式，将甲地某一粒子的未知量子态，在乙地的另一粒子上还原出来。需要传输的量子态信息如同科幻中描绘的超时空穿越，在一个地方神秘消失，不需要任何载体携带，又在另一个地方神秘出现。

8月16日发射的量子卫星“墨子号”是空间科学战略性先导专项的科学卫星之一。当时的青年学者潘建伟也已经成为现在我国量子科学实验卫星项目首席科学家，他提出了 “墨子号”的科学目标：一是进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；二是在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

“墨子号”就像一个太空信使，作为地面上两个实验站的中介，构建一个区域通信网络，海量信息在这个网络间穿梭如影，全天时传播。

绝技三：超高难度收发技术

量子卫星上天后，它会将经过编码的、甚至是纠缠的光子发射到地面上，每秒要发射一亿个光子，与之对接的地面系统则负责接收光子并进行解码，完成通信过程。

这一接一收看似简单，却绝对不是一件容易的事情。据量子卫星首席科学家潘建伟介绍，量子科学实验卫星在飞行的过程中，携带的两个激光器要分别瞄准两个地面站，向左向右同时传输量子密钥。这就要求在飞行的过程中必须始终保证精确对准，跟踪要达到相当高的精度， “就相当于人坐在万米高空的飞机上，往下扔连续硬币，每一个都要准确丢到储蓄罐狭小的投币口，而储蓄罐还在慢慢旋转。” 量子科学实验卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇说。

这种星地间“针尖对麦芒”的通信不但对卫星的对准和偏正提出高要求，还要求地面探测有极高的灵敏度。“光子是光里最小的单位，要探测到每个光子，就像在地球上，要看到月球上划亮的一根火柴。”王建宇说。

尽管困难重重，但是经过不懈努力，我国自主研发的量子卫星突破了一系列高新技术，包括同时瞄准两个地面站的高精度星地光路对准、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等工程级关键技术等。

在全球的量子通信竞赛中，中国虽然并不是起步最早的，但是目前中国在量子通信领域已经实现“弯道超车”，并成为首个将量子科学实验送入太空的国家。 “现在意大利、德国、加拿大等国家都纷纷主动前来要跟我们合作。”潘建伟说。

四问量子技术

1问：量子究竟是什么？

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：

——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”。

——量子纠缠，类似分身术，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。

2问：量子技术能实现瞬间移动吗？

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”。

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。

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。

3问：量子大脑会不会取代人类大脑？

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。

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。

4问：量子技术何时能实现民用？

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。

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。

“墨子号”的“星路历程”

我国自主研制的全球首颗量子科学实验卫星从最初酝酿和前期技术贮备，到如今成功发射，前后历时十多年。

◆ 2003年，潘建伟提出量子科学实验卫星计划。

◆ 2011年1月，中科院空间科学先导专项启动，量子卫星纳入其中。

◆ 2011年12月，量子科学实验卫星工程启动。

◆ 2012年12月，转入初样研制阶段，卫星开始成形。

◆ 2014年12月，转入正样研制阶段，卫星开始成熟。

◆ 2015年12月，完成星地光学对接试验，达到科学目标要求。

◆ 2016年2月，完成大系统联试，协调匹配性得到验证。

◆ 2016年7月，量子卫星和长征二号丁火箭从上海运往酒泉。

◆ 2016年8月16日，发射成功。

来源：中科院之声、经济日报（记者杜芳、佘惠敏）、央视财经（ID：cctvyscj）

本期编辑刘巷