随着我国发射的世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”的顺利升空，中国将成为全球第一个实现卫星和地面之间量子通讯的国家，我国将实现“天地一体化”量子通讯网路的初步建立，这也将成为量子通讯领域的中国最强音。
作为迄今为止惟一被严格证明是无条件安全的通讯方法，量子通讯技术在金融、军事和政务等领域的应用前景得到了世界各国的广泛关注，德国、日本等国也启动了相关的研究计划。这次“墨子号”的发射，更巩固了我国在量子通讯领域的世界领先地位。
作为全球首颗量子卫星其独到之处在哪儿？“墨子号”都承当了什么科学任务？量子卫星又是怎样实现“针尖对麦芒”般的精准定位的？伴随着地面光纤量子通讯网路“京沪干线”的建设完成，我国将初步构建起世界上首个广域量子通讯体系，人类正在进入量子信息的崭新时代，“绝对安全”的信息传递将为社会进步注入新的发展能量，更多关于量子卫星的最新独家报导，我们约请到了中国科学技术学院常务副院长、中科院量子科学实验卫星先导专项首席科学家潘建伟进行了专题访问。
独一无二的“量子卫星”
“墨子号”量子科学实验卫星是中科院空间科学先导专项首批4颗科学卫星之一，是继暗物质粒子侦测卫星“悟空”、微重力返回式科学实验卫星“实践十号”之后的第三颗科学实验卫星，其主要任务是举办基于卫星平台的广域量子通讯和量子热学基础原理检验。这么具体的科研任务有哪些？
潘建伟表示，这次“墨子号”量子实验卫星的主要科研任务有三个：首先，通过量子卫星实现卫星和地面的量子秘钥分发，进而实现广域的量子保密通讯。潘建伟解释，之所以须要通过发射卫星来构建天地之间的量子通讯网路，是因为地面讯号的传输主要以光纤为媒介，而光纤传输的过程中讯号损失相当严重，实验表明光纤传输的量子通讯讯号在两百公里之后就几乎被吸收殆尽，假若人类想实现远距离的量子通讯传输就必须构建多个安全可信的讯号中继站，这无疑大大降低了信息泄漏的机率。科学家们经过研究发觉，光在穿透大气层的过程中能量损失仅为百分之二十，也就是说天地之间数千公里甚至上万公里的距离，光在其间传输的耗损要远远高于在地面光纤网路中传输的耗损。借助这一原理，人类借助空间中的量子卫星作为地面网路的中转站，可以将地面多个城市中构建起的城际量子通讯网路联接上去，因而极大地提升量子通讯的效率。其次，“墨子号”还承当着对量子热学本身的基本原理进行检验的实验任务。量子纠缠态是量子热学中的一个精典现象，即在多粒子量子系统中，一对具有量子纠缠态的粒子，虽然相隔极远，当其中一个状态改变时，另一个状态也会即刻发生相应改变。这些现象称为“量子非定域性”，以前被爱因斯坦等拿来指责量子热学理论的完备性，并引起了常年的争辩和持续至今的各类检验。科学家们在地面上已在相距100公里的距离成功地验证了量子非定域性，但仍未做到严格无漏洞的终极检验。而量子卫星将把这个实验带到内层空间，将在国际上首次得以实现千公里量级的量子非定域性实验检验，对于人类加深对量子热学基础理论的认识具有重要的意义。第三，“墨子号”将联接中国和俄罗斯之间的量子通讯网锗与量子通讯，以证明全球规模的量子通讯网路构想是可行的。这也是我国在量子通讯领域举办的第一个小型国际合作，潘建伟也表示，未来我国将与更多国家举办合作，共同促进量子通讯领域的进步与发展。
潘建伟还介绍道，作为建设“天地一体化”通信网路的重要组成部份，“墨子号”量子卫星与普通卫星相比存在着巨大的差别。发射升空的量子卫星以及建设在地面的多个地面观测站，共同组成了前所未有的覆盖地面和空间的巨大实验网路。
图1量子保密通讯原理图
“针尖对麦芒”的精准定位
“墨子号”量子通讯卫星作为天地一体化的空间中转站，其承当着发射和传输光讯号的重要任务，怎么保证距离月球表面数百公里的光讯号才能顺利被地面光学天线接收，潘建伟形象化地解释道，这其中涉及到的关键性实验技术的难度就好比是“针尖对麦芒”一样。
潘建伟介绍说，因为卫星发射的光讯号是非常微弱的单光子级别，在由空间向地面传输的过程中会遭到许多诱因的干扰，例如星光、灯光等都将成为干扰讯号传输的背景噪音。据悉，卫星的运动速率很快，地面的光学天线必须时刻紧随卫星的“节奏”才有可能实现讯号的确切接收。所以，在“墨子号”量子通讯卫星的设计过程中，除了要克服各类噪音的干扰保证讯号源的稳定，同时还要实现与地面光学天线的确切对接。虽然是就像“针尖对麦芒”般严苛的实验条件锗与量子通讯，并且在我国科学家的不懈努力下，这么困难的技术困局也仍然得到了解决。
图2量子通讯卫星概念图
保密通讯的“京沪干线”
被称为“京沪干线”的地面量子通讯网路，是“天地一体化”量子通讯网路的地面组成部份。对于“京沪干线”的建设原理，潘建伟解释道：在建设地面量子通讯网路的工程中，主要的应用都集中在城市范围内，将城市之间的城域网联接上去实现城际量子通讯十分关键。据介绍，目前的技术仅才能达到点对点百公里量级的量子通讯，所以就须要通过构建可信任的中继站点来起到信息中转的作用，联接相距数百公里两个城市的量子通讯网路。早已构建上去的上海、济南、合肥、上海四个量子通讯城域网，将在可信中继的帮助下，通过光纤串联上去，构成量子通讯的“京沪干线”。未来还将会在每位城市中建设光学天线接收卫星的讯号，这样，随着“墨子号”的顺利升空，地面的“京沪干线”与空间的量子卫星共同构成了覆盖全球的广域网路，充分借助卫星覆盖的广域性和光纤入户的便利性，因而真正实现“天地一体化”的量子通讯。
图3广域量子通讯网路示意图
开启量子通讯新时代
随着量子卫星的发射升空和下半年“京沪干线”的竣工，中国的广域量子通讯体系为率先建成全球化的量子通讯卫星网路奠定了基础，人类正式实现全球范围内卫星和地面间的首次量子通讯。“天地一体化”的量子通讯网路正式铺就，历经30余年的量子信息研究也将进入推进应用的时代。未来，量子通讯不仅仅只是一种全新的加密通讯手段，它将成为新一代信息网路安全解决方案的关键技术和日渐普遍的电子服务的安全基石，成为保障未来信息社会可信行为的重要基础之一。其实就在不远的将来，量子通讯技术将就像手机、电脑通常，走进寻常百姓家。