实习记者李诏宇
“夫事以密成，语以泄败。”从古时侯贤君重臣的权争旧事，到近现代大国之间的纵横捭阖，在信息传递过程中，泄露仍然是人们广泛关注的一个问题。
假如一种通讯方法才能实现快速、稳定、无耗损，这么迦太基不会进犯法萨卢斯，马谡也不会失祁山，历史上无数由信息传递失误造成的风波都将得以避开。
古人不幸今人幸。可能成功解决问题的手段，虽非鸿雁传书，也非鱼传尺素，而是一个看似神秘的概念——量子通讯。
6月25日至27日，世界互联网会议数字文明尼山对话在青岛召开。成果展上，于2022年发射升空的“济南一号”量子微纳卫星吸引了诸多眼神。随着量子通讯在应用领域越走越远，我们不禁开始设想：量子通讯将率领人类迈向如何的未来？量子卫星在其中饰演着如何的角色？
量子通讯监听难
作为量子通讯的基础概念之一，量子在近些年来的各类悬疑作品中出镜率很高，但想要精确地定义它并不容易。
中国科大学量子信息与量子科技创新研究院院长级中级工程师廖胜凯介绍，量子是现代数学的重要概念，即一个数学量假如存在最小的不可分割的基本单位，则这个数学量是量子化的，最小单位被称为量子。
“量子的概念由美国化学学家普朗克提出，最早被用于解释宋体幅射这些能量现象。”廖胜凯表示，“后续的实验表明，例如角动量、电荷、能量等其他的化学量也具有不连续变化的量子化现象，超出牛顿精典热学理论框架的量子热学也就急剧形成。”
廖胜凯介绍，相比于牛顿精典热学，量子热学具有如下特点：不确定性、测量坍缩性和不可克隆性。这三大特点也成了量子通讯才能实现的理论基础。
量子通讯的研究内容之一就是量子秘钥分发。“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，其破译的困难程度只取决于估算力的强悍与否。随着物理和估算能力的不断提高，精典密码被破译的可能性与日俱增。”廖胜凯说，“而与精典通讯不同，量子秘钥分发的安全性基于数学学基本原理，与估算复杂度无关。通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享安全的秘钥，借助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、不可破译的原理上无条件安全的通讯方法。”
量子通讯的另一重要内容是量子隐型传态。量子隐型传态借助量子纠缠，可以将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送粒子本身。量子隐型传态是建立分布式量子信息处理网路和量子计算机的基本要素。
采用卫星传信息
“工欲善其事，必先利其器。”无线电通讯等传统通讯方法要求基站等有关设备的支持。量子通讯作为一种先进的通讯手段，自然也离不开众多先进的设备。既然量子通讯一般采用单光子作为信息传递的化学载体，人们不禁想到，直接联接一条光纤是否足以满足远距离量子通讯的须要呢？
答案其实是否定的。耗损问题成了光纤法不可行的根源所在。“量子具有不可克隆原理，因而单光子量子信息不能像精典通讯那样被放大。一旦传输距离较远，耗损问题都会显得十分严重。”廖胜凯强调，“根据数据测算，通过1200公里的光纤，虽然有每秒百亿发射率的单光子源和完美的侦测器，也须要数百万年才会传输一个比特的秘钥，这也许是完全不现实的。”
1200公里的光纤似乎尚可制造，但每秒百亿发射率的单光子源以及完美的侦测器都不是目前技术等现实条件所能企及的，更即便人们也不可能等待数百万年来传输信息。科学家们被迫找寻其他解决问题的方向。
既然地面走不通，上天就成了一个可能的选择。“利用外太空几乎真空、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讯的距离。”廖胜凯表示，“此外，因为卫星具有便捷覆盖整个月球的独到优势，使用卫星进行量子通讯是全球尺度上实现超远距离实用化量子通讯最有希望的途径之一。”
廖胜凯介绍，根据轨道的高度界定，量子卫星可以分为低轨卫星（2000公里以下）、中轨卫星（2000—20000公里）和高轨卫星（20000公里以上）三种。“这些卫星上搭载了一些量子通讯的元件，可以完成量子通讯的个别任务，因而被称为量子卫星。”廖胜凯说。
量子卫星同样可以根据重量界定，分为小卫星（100—500kg）、微卫星（10—100kg）、纳卫星（1—10kg）、皮卫星（0.1—1kg）、飞卫星（10—100g）。“一般来说，卫星越小，发射成本越低，性价比也就越高。”廖胜凯说。
廖胜凯强调，量子卫星的一个重要作用是作为中继扩充量子通讯的距离，进而实现远距离、高难度的通讯。“用于量子通讯的地面基站（即可信中继）通常须要数十公里就布设一个，成本高且维护不易。假若采用卫星传递信息，一切问题都将迎刃而解。”廖胜凯说。
美好未来可期盼
虽然量子卫星功能非常强悍，但要想真正起到对广域量子通讯的支撑性作用，仅仅借助一颗量子卫星似乎是不够的。须要更多的量子卫星团结协作，产生卫星组网。
廖胜凯介绍，一般来说，实现卫星组网有两类解决方案。一类是借助大量的低轨卫星构成实时覆盖的网路。铱星计划、星链计划等均属于这种。“低轨卫星经过地面站的通讯时间常常仅有数分钟，因而须要数百乃至数万颗卫星。”廖胜凯说。
另一类则主要靠中高轨卫星，如相对地面静止的月球同步轨道卫星。“地球同步轨道大概为36000千米高，也就是目前广播电视卫星、常规通讯卫星所处的轨道。”廖胜凯表示，“一般来说，三颗月球同步轨道卫星即可完成全球范围覆盖。”
廖胜凯介绍量子通讯的原理，一般来说，低轨卫星轨道低、信号强、传输速度高，而且过境时间短，传输的信息量少；高轨卫星轨道高、信号弱、传输速度低，而且传输时间长，几乎可以全天时工作，传输的信息量大；中轨道卫星则处在高轨卫星和低轨卫星之间，兼有二者的特征。
“具体采用哪种方式的卫星，应按照须要选择。在一个采用卫星构建的量子网路中，常常须要综合借助三种类型的卫星。”廖胜凯表示。在量子卫星的加持下，量子通讯早已取得了极大的进步。但在廖胜凯看来，想要真正实现大规模的应用，须要在新政与技术两方面继续努力。
从技术上看，量子通讯还应当朝着增强信噪比、提升距离、降低成本等方面发展。“目前量子通讯的成熟产品成分辨率还较低，一般仅能达到数千比特每秒（kbps）的水平，须要和对称密码算法结合使用，实现大数据率加密保护；另一方面，成熟产品的成本较高，不利于大规模推广应用。”廖胜凯介绍。
从新政上看，作为密码技术中秘钥分发或则秘钥协商的一种形式，量子通讯须要满足密码应用的合规性，形成行业标准，然后才会广泛应用推广。“虽然通过近六年的努力，国外外初步产生和发布了一些标准，但还需加强支持力度，产生完备的体系并建立测评认证能力，能够支持规模化应用。”廖胜凯说。
虽然面临一些挑战，但量子通讯所能带来的未来无疑是非常令人神往的。“设想一下，在未来每位人的隐私都能得到有效保护量子通讯的原理，千万里无损传信也会易如反掌。”廖胜凯表示，“我一直相信，量子通讯将率领人类迈向一个愈发美好的未来！”