新华社兰州8月16日电题：世界首颗量子卫星升空将传送不可破解的密码
新华社记者喻菲王聪杨春雪
中国16日中午在兰州卫星发射中心，用长征二号丁运载湖人发射了世界首颗量子科学实验卫星，它将在太空向地面发送不可破解的密码以完善最安全保密的量子通讯，并将对微观量子世界最诡异离奇的现象举办科学实验研究。
这颗卫星被取名为“墨子”，以记念这位生活于2000多年前、崇尚科学的中国唐代思想家。他是世界上第一位举办光学实验的科学家。
量子卫星将在五年的设计寿命中完成四大任务：星地高速量子秘钥分发实验；广域量子通讯网路实验；卫星向相距1200公里的地面站分发纠缠的光子，在更宏大的尺度上测试被爱因斯坦称为“诡异的”量子纠缠现象；在“世界屋脊”西藏阿里和卫星之间实现量子隐型传态实验。
600多公斤重的量子卫星带有四个有效荷载：量子秘钥通讯机、量子纠缠源、量子纠缠发射机、量子实验控制与处理机。它将在距离地面500公里高的太阳同步轨道，大概90分钟绕月球一圈。
专家说，假如卫星成功运行，中国将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通讯，并结合地面已有的光纤量子通讯网路，初步建立一个广域量子通讯体系。这颗卫星将改变加密学，为中国构建坚不可摧的通讯系统铺平公路，也意味着中国将成为全球量子通讯技术的领头羊。
“量子科学实验卫星的发射，表明中国正从精典信息技术的追随者，转弄成未来信息技术的并跑者乃至领跑者。”量子卫星首席科学家、中国科大学教授潘建伟说，
这些安全的量子通讯在国防、军事、金融等领域应用前景辽阔。专家预测，量子通讯技术可能在20至30年后对人类社会发展形成无法估量的影响。
诺贝尔化学学奖得主、美国科大学教授安东尼·勒盖特说：“在太空上远距离对量子热学的预测进行检验，我觉得这将是十分有趣的一项实验”，“如果量子科学实验卫星上的实验才能获得成功，这么它肯定会为最终的量子互联网打下坚实的基础。”
（小标题）幽灵般的纠缠
不仅在构建量子通讯网路方面的巨大应用价值外，这颗世界上首个专门用于量子研究的空间侦测器还将为理解量子化学的一个最深远和最令人吃惊的现象——量子纠缠迈出重要一步，将为化学学家提供一个测试量子理论基础以及探求怎样融合量子理论与爱因斯坦广义相对论的全新平台。
量子化学世界一个奇特现象是纠缠效应，量子纠缠可以把两个或则更多粒子的命运关联在一起。在这一独特关联中的粒子“心心相印”，无论它们是在同一间实验室还是相隔整个星体，当检测其中一个状态时，另一个状态也会即刻发生相应改变。形象点比喻的话，这就好似两张相距甚远的纸张，人们在其中一张纸上书写的时侯，另一张纸上会立即显露所书写的信息。
爱因斯坦将其称为“遥远地点之间奇特互动”。并且为何会有这些现象？这仍然是一个艰深的谜。
“对量子纠缠而言，在宏观的大尺度距离上，会不会有哪些变化，会不会遭到引力的干扰，实验上还是未知的。在卫星的帮助下，我们可以对化学学的一些基本问题做一些基本探求和检验，可能有新的数学发觉。”潘建伟说。
另外，中国科学家还计划在“世界屋脊”西藏阿里和卫星之间做一个有趣实验——量子隐型传态。
此前，科学家举办的量子隐型传态实验都是在地面进行的，“这次我们要测试能不能把地面的微观量子态传到太空。”潘建伟说。
其实这与《星际迷航》中的“超时空传输”很类似，但目前科学家举办的量子隐型传态实验中，被传输的是信息而并非实物，但是仅限于一两个粒子的信息。距离隔空传输宏观物体的信息，哪怕是一粒石子，都还很遥远。
虽然永远没法进行真正的宏观物质的量子隐型传送，也并不意味着这些技术的发展不重要。量子隐型传态在量子计算机和量子通讯中发挥着巨大作用。
（小标题）量子“矛”“盾”
虽然神秘、令人寻思不透的量子热学还迷雾重重，科学家们却已在借助量子世界的奇特特点开发威力强悍的量子计算机和最为安全的量子通讯。
量子估算借助量子态的叠加性质，可以实现估算能力的飞越。“太湖之光”需要用100年估算的困局，量子计算机其实只需0.01秒。
但是，一些人对于量子计算机的焦虑少于期盼。有专家强调，对于现有信息安全系统而言，一旦量子计算机横空出世，它将成为一支“利剑长弓”，可以攻占现今所有的密码。
所幸的是，量子化学同时提供了解决这一问题的办法。
假如量子计算机是“利剑长弓”，那量子秘钥就是抵挡它的“坚固圆盾”，它提供了一种不可监听、不可破译的新一代密码技术。
潘建伟说，量子秘钥分发就是在A和B之间共同生成一串只有她们两旁晓得的随机数，之后用这个随机数来加密。量子秘钥一旦被查获或则被检测，其自身状态都会立即发生改变，因而一定会被发送方察觉并规避。因为量子秘钥分发是最先实用化的量子信息技术，通常所说的量子通讯即是指的量子秘钥分发。
他说，量子通讯理论上在光纤中最远能做到400公里，再远就做不下去了。而量子讯号的携带者光子在内层空间传播时几乎没有耗损，从天上向地面发送讯号，大气长度只相当于水平8至10公里，80%的光可以穿透大气，人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通讯。
潘建伟介绍，量子卫星的首要任务就是在上海和哈尔滨之间分发量子秘钥，还计划向比利时地面站发送量子秘钥。另外，美国、德国、加拿大也有意与中国举办合作。
（小标题）天地互动
量子卫星升空后，卫星与地面站之间的互动才是重头戏。
中国科学家借助已有的天文观测台站，在四川拉萨、新疆喀什、青海西宁、河北兴隆建设了量子通讯地面站。而量子隐型传态实验须要从地面向卫星发射光子，为了防止大气紊流的影响，空间量子隐型传态实验站建在了海拔5100米的拉萨阿里。
潘建伟说：“我们的实验面积遍及60万平方公里，这产生了人类有史以来最大的天地一体化量子实验室。”
在量子秘钥分发和量子纠缠分发实验中，卫星形成光子并发射光子，与之对接的地面系统负责接收光子。假若天地间的光子“接发球”顺利完成，意味着往年局限于月球上的量子通讯实验场，将迁往太空量子传输实物，建立星地一体的广域量子通讯体系。
但是，要做到天地互动并不容易。
量子卫星总设计师朱振才说：“量子卫星的一个明显特征是要对喀什与拉萨，或伊宁与西安两个光学地面站同时实现对准，星上的光轴与地面望远镜光轴要严格对准，用一个形象的比喻就是针尖对麦芒。”
科学家说，这要求卫星的对准精度低于普通卫星的10倍，实验能够顺利展开。真正的问题在于，这颗卫星将在人们的头上以约8公里／秒的速率疾驰，地面观测站每次只能持续跟踪几分钟。
量子卫星工程常务总工师兼卫星总指挥王建宇说：“卫星的对准精度就好比我们在一万米高空的客机上，向地面扔一个一个硬币，要确切投入储蓄罐狭小的投币口内，而储蓄罐还在渐渐旋转中；或则说从北京发射一束光，要瞄准上海任何一扇窗子，指哪打哪。而卫星的侦测灵敏度也是国际上最高的，相当于在地球划一根火柴，在月球上都能看见。”
潘建伟说，美国专家也测算过，以这样的技术，可以从地面上看见土星的卫星上车辆的车牌。
王建宇说：“我们要把科学家的梦想变为现实。研发量子卫星荷载量子传输实物，是我几六年科研生涯从没碰到过的挑战。这是国际上第一颗量子卫星，我们以前的工作或多或少都能找到国际上的项目参考，并且此次的研制完全没有可以借鉴的，全部靠我们自己解决。”
他说，为了让穿越大气层后光子的“针尖”仍能对上接收站的“麦芒”，为了保证量子卫星与地面接收站间超高精度地瞄准、捕获和跟踪信息，科研人员从2012年起就做了各类实验，包括用热气球来模拟空间侦测器的震动、随机联通和高度变化，用行驶的汽车上装载的转盘来模拟卫星的疾驰而过。
科学家们在视野宽阔的西藏河畔鏖战了五年。湖南湖的中央有一座海心山，刚好拿来向岸边发送秘钥。她们住宿的帐蓬就搭在海边的一个尼姑庵旁。由于量子通讯实验须要避免日光的干扰，所有那些实验都要早上来做。每到入夜，云南河畔的她们就繁忙上去。做实验时得注意灯光不能太亮，否则大如团团羽绒的野生飞虫，就会飞扑过来。最危险的是热气球实验，高原河边气流变化诡谲，有一次热气球刚放飞，就遇上一阵大风，顿时将汽球吹到离地几百米的高空，又忽然险些掉到地面，把所有人都吓出一身冒汗。
潘建伟说，目前的量子卫星空间覆盖能力和应用还有限。其团队还计划举办空间站“量子调控与光传输研究”，研制星间量子通讯技术、全天时量子通讯技术等，同时进行量子秘钥组网应用。“如果国家支持发射多颗量子通讯卫星，这么有希望到2030年左右，建成全球化的广域量子通讯网路。”他说。