2016年8月16日凌晨1时40分，在一片震耳欲聋的轰鸣声中，一架长征二号丁运载火箭正喷出闪亮的火舌，从酒泉卫星发射中心的发射塔架上一飞冲天。
这意味着由我国科学家自主研发的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在西昌卫星发射中心成功发射，不仅用这枚卫星进行一些科学实验外，还将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通讯。这也将是跨径最大、史上最安全的通讯网路。
提及“量子”一词，大多数人想到的可能是玄之又玄的量子化学，以及爱因斯坦那句知名的“上帝不掷色子”的断定。在我们的过往印象中，量子化学常常与“不确定性”、“测不准”等词汇联系在一起，但是我们又晓得，通讯最重要的就是稳定、安全、可靠。这么，量子与通讯，表面上相互矛盾的两个东西是怎样联系到一起的呢？要了解这一点，我们还是先从传统通讯为何须要“量子”说起吧。
传统通讯的局限性
众所周知，密码这东西如今早已参杂了我们的生活。像网购汇款、登陆陌陌，甚至在我们看不见的信息传输途中，都须要用到密码，由于它能保证通讯和交易的安全。不过，有了加密，就有破解密码的人，这对宿敌的混战一直贯串在我们整个通讯的历史中。尤其在战争年代，揭秘的成功与否甚至足以影响最终的战局。在二战期间，日军正是由于破解了国军电报的加密方法，因而把握英军高层的行踪，最终成功击杀了其陆军总司令山本五十六，为太平洋战争的落败奠定了基础。除此之外，直接监听和查获信息也是很常见的泄露形式。如影片《窃听风云》讲述的正是通过监听别人通讯而发生的一系列故事。
人们仍然在想，是否存在一种安全传输信息的方式呢？我们可以总结一下，“使通讯保密”的思路虽然有两种。一种是化学加密，例如在A和B之间拉一条专线，专线中间遍布哨塔，任何想查获信息的间谍必须在光缆上做四肢能够监听，而这必然会被哨兵拿下。在这些确保安全的信道中，我们甚至无需对信息加密，直接用明文交换信息就可以了。并且，用数学隔离的方式终究不现实，它的效率低，成本高，距离有限，只有少数重要且有条件的岗位才用得起这些方法。
另一种是信息加密，就是把封装信息加上密码后通过公共信道传递，这相当于把它放到一个带锁的小袋子里进行运输，沿途即使被人侵吞了也没关系，由于只有旁边领到锁匙的人才能打开袋子，因而获取信息，这些做法就是我们目前常用的传统加密方法。
只是现有的密码体系还是通过降低估算复杂性来保证安全。诸如应用最广泛的密码算法RSA，用的是两个特别大的素数的乘积来构建秘钥。众所周知，对于两个大素数乘积进行因式分解，除暴力穷举外并无更好的方法。资料显示，用现有最快的传统计算机对一个500位的RSA秘钥进行穷举破解，历时将达到百亿年——几乎等于不可破解。
但从理论上讲，只要有足够先进的计算机，任何有限宽度的密码都可以被破译。随着计算机技术更新迭代，接出来可能出现更快更强的计算机，例如研制中的量子计算机等。在那时侯，倘若未能升级出对应的加密方法，这么原有的密码将不再安全，金融系统和个人隐私等领域都将彻底身陷混乱。
面对未来可能出现的窘境，人们须要找出新的加密手段。此时，量子化学的发展为人们带来了新的思路。
从量子货币到量子保密通讯
20世纪初，量子化学学取得了长足发展。在化学学家不断刷新对量子热学认知的同时，当时的密码学家突然意识到一个问题：借助量子不可分割、不可复制的特点，人类是否有可能发展出一种永不陷落的安全体系？
20世纪60年代末，韩国波兰学院的斯蒂芬·威斯纳（）提出了在明天看来仍非常超前的量子货币概念。量子货币的理论基础是“海森堡不确定性原理”及其结论“不可克隆定律”。用浅显的话解释，他准备在美钞上放置“囚禁”光子的装置，通过测量光子独一无二的偏振光方向来验证美钞真假。这些做法在理论上确实可以制造出不可伪造的钞票，但是它的缺点也一目了然——验证真假所须要付出的代价太高，成本比美钞本身的面额还大得多。威斯纳的看法最终被认定为过分超前，多家学术刊物拒绝了他的论文。
但威斯纳的学院朋友，在IBM公司托马斯·J·梅森实验室工作的查尔斯·本内特（）很欣赏这一设计，并在此基础上，本内特于1984年提出了借助光子偏振光态编码传送秘钥信息的量子秘钥分发合同——BB84合同。从此，量子密码开始遭到学术界的高度关注。1993年，本内特等6位科学家发表题为《经由精典和EPR通道传送未知量子态》的论文，即将提出“量子隐型传态”构想。这一设想被觉得是量子通讯的基础。
后面说到，量子有两项特点，一个是不可分割，一个是不可复制。本内特强调，由于光量子具有不可分割性，所以在单光子发射的情况下，监听者不可能采用将光子分成两半，一半用于获得秘钥，一半传输给接收方的形式来防止被发觉。与此同时，由于光量子是难以确切被检测的，所以不能被监听者复制。换句话说，监听者难以通过确切检测光子，克隆出一个一模一样的量子来获取信息。也就是说，在量子通讯的范畴内，只要监听者盗用信息就必将会被发觉，这是它相较传统通讯技术的一大改变。
1997年，加拿大科学家安东·蔡林格（Anton）在室外首次完成了量子隐型传态的原理性实验验证，成为量子信息实验领域的精典之作。当时，中科院教授、中国科学技术学院院长潘建伟正在英国留学，追随导师蔡林格参与了整个实验。归国后，潘建伟在中国科学技术学院成立了量子信息实验室，经十余年耕耘，目前，潘建伟团队已成为世界范围内量子信息实验领域的领头羊。此次上天的“墨子号”卫星正是这个团队的最新杰作。
量子通讯是怎样实现的？
说了那么多量子通讯设备，这么量子通讯究竟是怎样实现的呢？在解释前，我们首先要清楚两个概念。
第一个概念是光的偏振光。我们晓得光具有波动性，也就是光在传播过程中，是一边震动，一边向前走，震动可以是空间内垂直于传播方向的任意方向。并且我们可以在中途加一个偏光器，让震动方向垂直偏光器的光能够通过。这样一来，通过的光色温会大大减小，进而降低耳朵的负担，这个技术在太阳墨镜、电脑显示器和拍照机中都有应用。
第二个概念是基底，就是空间维度的轴。在二维空间上，它是X和Y，在三维空间则是X、Y、Z这三轴。让我们试着在脑内建立两个不同的基底量子通讯设备，一个是水平X轴、垂直Y轴的水平垂直基底，另一个是倾斜45°，呈X形状的斜45°基底。我们把这两组基底想像成偏振光器，这么当一束光通过某个基底后，只有这个方向偏振光的光子被保留出来，也就是说这个光子的偏振光状态是惟一的。好比一根绳子穿过篱笆，捉住一身上下甩动，篱笆对于绳子如同“透明”的，不会干扰绳子摆动，但若果你左右摆动，绳子的波就被篱笆抵挡了。
明晰了这两个概念后，我们来看怎样实现从A到B的秘钥传输。
首先，发信人A用水平垂直基底和斜45°基底对光子进行制备，并对制备后的偏振光状态进行形参。例如分别把她们在X轴偏振光的光子记为1，Y轴偏振光的记为0。也就是说，从水平垂直基底上筛出的光子，假如偏振光状态表现出是0°，则代表二补码数1；假如是90°，则代表二补码数0。另一种基底也是同样道理。
然后，A随机选择一批具有一定偏振光状态的光子，通过正常的信道挨个发送给收信人B。此时，光子的形参可以记作一个宽度为N的二补码串。B在接收到A的光子后，随机选择一种基底进行检测。假如B和A选择的是一样的基底，这么测下来的结果都会跟A的形参一样。假如选错了基底，光子都会难以通过，因而呈现出完全随机的表现。由于只有0和1这两种形参，所以在这些情况下，错误率是50%。
随机脉冲序列密匙
在这以后，B把检测结果通过其他信道，例如公开打电话之类的，跟A进行核实。他不须要告诉A具体收到哪些结果，只要告诉A他选定了哪些基底就足够了。这样才能剔除错误结果，保留正确的结果，因而形成长度为M（M