日前，中国科学院在京举行新闻发布会对外宣布，“墨子号”量子科学实验卫星提早并完满实现全部三大既定科学目标，为我国在未来继续推动世界量子通讯技术发展和空间尺度量子化学基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。
中国科学技术大学潘建伟院士及其朋友彭承志等组成的研究团队，联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、南京天文仪器有限公司、国家空间科学中心等，在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下，利用“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。两项成果于8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。这是继上次在国际上率先实现千公里级星地单向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验的研究成果发表在《科学》杂志以后，我国科学家借助“墨子号”量子卫星实现的空间量子化学研究另外两项重大突破。
中国科学院教授、党组书记白春礼表示，“墨子号”开启了全球化量子通信、空间量子物理学和量子引力实验检验的房门，为我国在国际上占据了量子科技创新制高点，成为国际同行的典范，实现了“领跑者”的转变。
量子保密通信是目前人类惟一已知的不可监听、不可破译的无条件安全的通讯方法
通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求。千百年来，人们对于通讯安全的追求未曾停止。然而，基于估算复杂性的传统加密技术，在原理上存在着被破译的可能性。随着物理和估算能力的不断提高，经典密码被破译的可能性与日俱增。
潘建伟说：“通过量子通信可以解决这个问题。也就是说，把量子物理与信息技术相结合，利用量子调控技术量子隐态传输，用一种革命性的方法对信息进行编码、存储、传输和操纵，从而在确保信息安全、提高运算速率、提升检测精度等方面突破精典信息技术的困局。”
通常觉得，量子通信主要研究内容包括量子密钥分发（量子保密通信）和量子隐形传态。
量子密钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的秘钥，利用该秘钥对信息进行一次一密的严格加密，这是目前人类惟一已知的不可监听、不可破译的无条件安全的通讯方法。
“通俗来讲，量子密钥分发，就好比一个人想要传递秘密给另外一个人，需要把储存秘密的袋子和一把锁匙传给接收方。接收方只有用这把锁匙打开袋子，才能取到秘密。没有这把锁匙，别人难以打开袋子，而且一旦这把锁匙被他人动过，传送者会立即发觉，原有的锁匙作废，再给一把新的锁匙，直到确保接收方本人领到。”潘建伟说。
那么，为什么锁匙被他人一碰，就能立即被知晓呢？
因为，科学家借助量子有多个叠加态的原理，用量子作为秘钥。这样一来，一旦有人企图查获或测试量子秘钥，就会改变量子状态，科学家便能立即从改变中发觉有人动了锁匙。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特点，就能实现无条件安全的通讯方法。
量子通信的另一重要内容量子隐形传态，是借助量子纠缠特点可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送物质本身，通过隐型传输实现信息传递。远距离量子隐形传态是实现分布式量子信息处理网路的基本单元。
外太空光讯号耗损特别小，因此通过卫星的辅助可以大大扩充量子通信距离
量子通信一般采用单光子作为化学载体，最为直接的方法是通过光纤或则近地面自由空间信道传输。但是，这两种信道的耗损都随着距离的降低而指数降低。由于量子不可克隆原理，量子通信的讯号不能像精典通讯那样被放大，这促使之前量子通信的世界纪录为百公里量级。根据数据测算，通过1200公里的光纤，即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器，也须要数百万年能够构建一个比特的秘钥。因此，如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信是该领域的最大挑战和国际学术界几十年来拼搏的共同目标。
中国科学院上海技术物理研究所研究员，量子科学实验卫星工程常务副总师、卫星系统总指挥王建宇说：“利用外太空几乎真空因此光讯号耗损特别小的特性，通过卫星的辅助可以大大扩充量子通信距离。同时，由于卫星具有便捷覆盖整个月球的独到优势，是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码和量子隐形传态最有希望的途径。”
从本世纪初以来，该方向已成为国际学术界激烈争夺的焦点。潘建伟团队为实现星地量子通信举办了一系列先驱性的实验研究。
2003年，潘建伟团队提出了借助卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的方案，随后于2004年在国际上首次实现了水平距离13公里（大于大气层垂直长度）的自由空间单向量子纠缠分发，验证了穿过大气层进行量子通信的可行性。2011年底量子隐态传输，中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年，潘建伟领衔的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的单向量子纠缠分发和量子隐形传态，充分验证了借助卫星实现量子通信的可行性。2013年，中科院联合研究团队在青海湖实现了模拟星地相对运动和星地链路大耗损的量子密钥分发实验，全方位验证了卫星到地面的量子密钥分发的可行性。随后，该团队经过坚苦攻关，克服种种困难，最终成功研发了“墨子号”量子科学实验卫星。“墨子号”卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空，经过4个月的在轨测试，2017年1月18日即将交付举办科学实验。
为建立覆盖全球的量子保密通信网路奠定了可靠的技术基础
此次完成的星地高速量子密钥分发实验是“墨子号”量子卫星的科学目标之一。
中国科学技术大学研究员，量子科学实验卫星科学应用系统总师、卫星系统总工师彭承志说：“量子密钥分发实验采用卫星发射量子讯号，地面接收的方法。‘墨子号’量子卫星过境时，与广东兴隆地面光学站构建光链路，通信距离从645公里到1200公里。在1200公里通讯距离上，星地量子秘钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级（万亿亿倍）。卫星上量子引诱态光源平均每秒发送4000万个讯号光子，一次过轨对接实验可生成30万比特的安全秘钥，平均成分辨率可达1千1百比特每秒。”
潘建伟表示，这一重要成果为建立覆盖全球的量子保密通信网路奠定了可靠的技术基础。“以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现月球上任意两点的秘钥共享，将量子密钥分发范围扩充到覆盖全球。此外，将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网（如南京量子通信网、济南量子通信网、京沪干线）互联，可以建立覆盖全球的天地一体化保密通讯网路。”
地星量子隐形传态实验是“墨子号”量子卫星的另一个科学目标之一。
“量子隐形传态实验采用地面发射纠缠光子、天上接收的方法，‘墨子号’量子卫星过境时，与海拔5100米的拉萨阿里地面站构建光链路。地面光源每秒形成8000个量子隐形传态例子，地面向卫星发射纠缠光子，实验通讯距离从500公里到1400公里，所有6个待传送态均以小于99.7%的置信度赶超精典极限。”彭承志说：“假设在同样宽度的光纤中重复这一工作，需要3800亿年（宇宙年纪的20倍）才能观测到1个例子。这一重要成果为未来举办空间尺度量子通信网路研究，以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。”
（原载于《人民日报》 2017年08月10日 06版）
