编辑/陈永杰

量子通信是目前最安全的一种通信技术，它以量子力学原理为基础，通过技术手段让窃取密码变成不可能。也许最快再过10~15年，网上银行、手机支付、信用卡等可能就不怕被盗了。

8月16日凌晨，中国成功发射全球首颗量子科学实验卫星。这颗以中国古代科学家墨子命名的“墨子号”卫星，带着探索星地量子通信的使命升空，将为中国和世界的前沿科技“探路”。

▲ 8 月16 日凌晨，我国在甘肃酒泉发射基地成功发射全球首颗量子科学实验卫星

猫如何既是死的又是活的?

还记得这样的场景吗?电影中，主人公走入一扇“任意门”，瞬间就穿越来到另一个空间……在量子世界里，这或许不是幻想。

要说清楚量子通信的宏伟蓝图，我们还得从量子力学讲起。这是一个与牛顿力学等经典力学差异很大的物理学分支，被誉为迄今为止描述微观世界最准确的理论。

量子是什么?通俗地解释就是把能量等物理量一份份往下分，分到无法再分的小块儿，这个小块就是量子。如氢原子中电子的能量只能取一个基本值——13.6电子伏特或者其1/4、1/9、1/16、1/25等，而不能取其2 倍或1/2、1/3。这就好比上台阶，只能上一个台阶，而不能上半个。

量子力学和经典力学的根本区别在于确定性问题。与我们常识里的事物具有确定的位置相反，量子力学中的粒子状态是不确定的，而且是一种客观真实的状态。这种状态有两个基本原理。

量子世界中有两个基本原理，一个是量子态叠加原理。根据量子力学理论，物质在微观尺度上存在两种完全相反状态并存的奇特状况。如何来证明这种原理呢?奥地利物理学家薛定谔在1935年提出的“薛定谔猫”佯谬提供了一种思路。

“薛定谔猫”佯谬假设了这样一种情况：将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死;如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。

这只既死又活的猫就是量子物理界著名的“薛定谔猫”。如果把量子叠加原理合到多个量子的情况会是什么样呢?这就是量子世界的另一个基本原理——爱因斯坦称为“遥远距离诡异的相互作用”的量子纠缠。就像双胞胎心灵感应一样，这两颗骰子无论相距多远，掷出来的结果始终是一样的(当然，爱因斯坦坚称“上帝不会掷骰子”)。

我们再以“薛定谔猫”来解释：整个状态现在处于镭是否发生衰变和猫是死是活的叠加状态，用一个等式来表示就是：整体状态=镭发生衰变而且猫死了(A)+镭没有发生衰变而且猫活着(B)。当你打开容器盖子观看猫是不是死了的那一刻，整个状态就被确定了，要么是A，要么是B，而且另一种状态也跟着消失了。

这就是量子的纠缠态。在量子世界中，处于纠缠态的两个粒子不论分开多远，如果对其中一个粒子作用，另一个粒子就会立即发生相应变化，而且不受时空限制，是瞬时变化。

“绝对”不会被破译的通信

如此神秘的量子叠加原理和量子纠缠，我们到底能拿它来做些什么呢?一个已经被量子卫星首席科学家，中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟团队研究得很成熟的应用是量子保密通信。

现在被认为最安全的信息传递方式是光纤通信。光缆能把所有的光能限制在光纤里，外面得不到能量，所以这个传输被认为是安全的。但随着科技发展，只需让光缆泄漏哪怕很少一部分能量，我们就能够窃听光缆传递的信号。

潘建伟解释说，这是因为经典通信的信号只有0和1，发生窃听时，这两种信号不会被扰动。如两人打电话时，他人可通过窃听器，从通信线路中的上千万个电子中分出一些电子，使其进入另一根线路，从而实现窃听，而通话者无法察觉。

量子通信则完全不会出现这个问题。除了因为量子信号有0、1、0+1、0-1等量子叠加态，还因为量子由这种叠加态而产生的不可克隆原理。

根据量子力学理论，对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制的过程是不可实现的。也就是说，量子信号一旦被窃听，量子叠加态就会受到扰动，有可能“塌缩”成另一个量子态。这样一来，通信双方能立即察觉。

这个方式到底有多安全呢?中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心成员、中国科学技术大学上海研究院副研究员张文卓表示，“只要因果关系成立，只要信息传递不超过光速，时间不逆转，比如我们回不到过去，这个通信方式就是无条件安全的。”

当然，量子应用还有更大的前景。首先一个应用是计算机运算能力的飞跃。现在计算机的运算单位比特只有0和1这两种状态，但量子计算机中可以处在0和1的叠加状上。如果操纵的量子数目增多，它就会以指数级增长来提升计算机的运算速度。

例如，如果操纵25个量子，计算机的能力就能达到现有四核计算机的水平;如果操纵50个量子，现在世界上最快的计算机——“天河二号”的计算能力就赶不上了;如果操纵100个量子，其计算能力可能比“天河二号”还快百亿亿倍。

这么快的运算速度，将使我们的日常生活大大改变。例如在公共安全领域，量子计算可以瞬间处理监控数据库中60亿人次的脸部图片，并实时辨别出一个人的身份;在公共交通领域，量子计算能够迅速对复杂的交通状况进行分析预判，从而调度综合交通系统最大限度避免道路拥堵;在气象预测方面，量子计算能够将仪器检测数据结合模型全面预测分析，从而实现更高精准度的天气预报……

“墨子号”量子卫星有何本事?

近年来，量子信息科学成为物理学和信息科学领域最活跃的研究前沿之一。利用量子调控技术，能够用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵，在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典信息技术的瓶颈。

大约两千四五百年以前，我国的学者墨子和他的学生，做了世界上第一个小孔成倒像的实验，解释了小孔成倒像的原因，指出了光的直线行进的性质。这是对光直线传播的第一次科学解释。

现在，以“墨子”命名的量子卫星发射升空。潘建伟介绍说，“墨子号”量子卫星的主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。同时，在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

“量子通信是迄今唯一被严格证明为无条件安全的通信方式。量子不可分割、不可克隆，所以能保证加密内容不被破译。它可以从根本上保障信息安全、保护全人类的隐私。”潘建伟说，量子通信的实用化和产业化成为欧盟、美国、日本等争相追逐的目标。

由我国自主研发的这颗量子卫星突破了一系列高新技术，如高精度跟瞄、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等工程级关键技术，卫星设计寿命为两年。同时还建设了以4个量子通信地面站和1个量子隐形传态实验站为核心的天地一体化量子科学实验系统。

据介绍，“墨子号”量子卫星升天后，将结合我国地面即将建成的“京沪干线”千公里级广域量子通信骨干网络，初步构建我国空地一体的广域量子通信体系，为率先建成全球化的量子通信网络奠定基础。

继“量子科学实验卫星”项目之后，我国还计划开展空间站“量子调控与光传输研究”项目。该项目将研究星间量子通信技术、全天时量子通信技术等，同时进行量子密钥组网应用、多种技术体制的空间激光通信验证、量子密钥分发与激光通信复合的加密信息传输系统等应用研究，为下一步的卫星组网奠定技术基础。

国际科学界 “点赞”中国量子卫星

同奥运赛场上的金牌总是备受关注一样，中国量子卫星的“第一”属性也是国际科学家们强调的重点。

美国波士顿大学的量子物理学家亚历山大·谢尔吉延科说：“这个事确实很让人激动，因为它是首次开展此类试验，因此对全球都有重要意义。”他说，量子通信的竞赛自1995年欧洲科研人员在日内瓦湖底进行量子密钥分发的最初演示时就开始了。

在那以后，英国、美国、日本和中国等国家都在探索城市间的量子通信网络，而现在这场竞赛从地面进入了太空，因为卫星能连接相距遥远的不同都市。中国在发射量子卫星方面走在了前面。

感到激动的还有英国剑桥大学量子物理学教授阿德里安·肯特，他说：“我对中国发射量子卫星这事感到很兴奋。”他认为，这是为使用量子技术构建全球性安全通信网络迈出的“第一步”。

德国整合量子科学和技术中心负责人托马索·卡拉尔科说：“中国发射全球首颗量子卫星意义重大，在实现全球安全量子通信的道路上迈出了决定性的一步。”

美国《华尔街日报》发表评论说，量子卫星将让中国在防御黑客方面走在世界前列。文章说，在当今信息社会，黑客威胁日益严重，安全通信对国家安全日益重要。报道援引华盛顿一家智库的网络安全专家约翰·科斯特洛的话说，美国一直在攻击和入侵中国的网络，这促使中国加强研究“防御性的”量子通信技术。

量子通信或15年后走进中国百姓家?

在潘建伟看来，量子通信的应用前景，就像电话的普及过程一样，将逐步进行，蔚为可观。“一开始，量子通信可能会应用于国防、金融、政务、科学研究等，之后会在大众中广泛应用。”

基于个人判断，他给出了一个量子通信技术普及的“时间表”：5年左右很多机要部门开始用，10年左右金融业、银行等大机构开始使用，15年的时间或许走进千家万户。“届时，每个人的家里、手机上或许都会有一个量子加密芯片，银行转款、电子账户等的涉密操作，网上银行、手机支付、信用卡等可能就不怕被盗号了。”

潘建伟表示，这需要一个过程，依赖于量子通信网络的建设，应用成本也会逐渐下降。

虽然量子科学实验卫星成功发射，但从长远来看，“要实现全球化量子通信还需要长期的努力，特别是需要多颗卫星的组网”，量子科学实验卫星科学应用系统总师兼卫星系统副总师彭承志表示，“这条征途没有尽头。”

也因此，中国以开放的姿态欢迎全球合作。“我们非常高兴地同意了奥地利方的请求，共同就北京到维也纳之间的洲际量子通信进行实验合作，中方并决定向全球开放载荷的相关数据”，潘建伟介绍称。

他表示，德国和意大利也非常希望继奥地利后加入中国团队的实验，在探索全球量子通信组网建设、“量子星座”建设中与中方展开合作。“协议目前已经走完了相关的流程，近期就将进行签署。”

“毕竟，科学也是面向全世界的，中国的量子卫星走在世界前列之后，可以引领整个学术界在这个方向开展研究，为人类贡献中国智慧”，潘建伟说。

(本文综合新华社、人民日报相关报道)