墨子星际首航探索物理幽灵_物理前沿-查字典物理网

上图：在酒泉卫星发射中心，“墨子号”太阳帆板展开试验准备（2016年7月30日摄）。

底图：中国成功发射全球首颗量子科学实验卫星

4个有效载荷：

量子密钥通信机

量子纠缠发射机

量子纠缠源

量子实验控制与处理机

意义：在世界上首次实现卫星和地面间的量子通信，天地一体化量子科学实验系统正式运行。

卫星质量：640kg

倾角：97.37

在轨设计寿命：2年

量子

量子是构成物质的基本单元，是能量的最基本携带者，不可再分割。比如，光子是光能量的最小单元，不存在“半个光子”，同理，也不存在“半个氢原子”“半个水分子”等等。

量子通信

利用光子等量子的状态叠加和纠缠等基本物理原理实现的信息传输。量子通信的特点是：超大信息容量、超高通信速率、超远距离传输。

量子纠缠

类似孙悟空和他的分身，二者无论距离多远都“心有灵犀”。当两个微观粒子处于纠缠态，不论分离多远，对其中一个粒子的量子态做任何改变，另一个会立刻感受到，并做相应改变。

16日凌晨，被命名为“墨子号”的中国首颗量子科学实验卫星开启星际之旅。它承载着率先探索星地量子通信可能性的使命，并将首次在空间尺度验证量子理论的真实性。

为什么研发量子卫星？

信息安全的终极武器

在量子卫星首席科学家潘建伟院士看来，如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的“网”，那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。当这张纵横寰宇的量子通信“天地网”织就，海量信息将在其中来去如影，并且“无条件”安全。

量子科学，对绝大多数人来说十分高冷。但当它与信息技术相连，就与我们每个人息息相关。当今社会，信息的海量传播背后也充斥着信息泄露的风险。而量子科学则为信息安全提供了“终极武器”。

量子通信系统的问世，点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。当前，量子通信的实用化和产业化已经成为各个大国争相追逐的目标。

诞生百年的量子理论的奇妙之处在实验室里被不断重复检验，但却从未在太空尺度验证过。量子理论的各种奇异现象在太空中是否还存在？量子纠缠和隐形传输是否可以延伸到星地之间？这些都需要卫星去验证。

2011年，中科院正式启动全球首颗“量子科学实验卫星”的研制，这既意味着中国科学家率先向星地量子通信发起挑战，更意味着中国或将领先欧美获得量子通信覆盖全球的能力。

量子通信凭什么绝对安全？

一旦窃听必然会被察觉

在物理王国里，量子理论是一个百岁的“幽灵”，爱因斯坦也曾被它的“诡异”所困扰。

在量子世界中，一个物体可以同时处在多个位置，一只猫可以处在“死”和“活”的叠加状态上；所有物体都具有“波粒二象性”，既是粒子也是波；两个处于“纠缠态”的粒子，即使相距遥远也具有“心电感应”，一个发生变化，另一个会瞬时发生相应改变……

正是由于量子具有这些不同于宏观物理世界的奇妙特性，才构成了量子通信安全的基石。在量子保密通信中，由于量子的不可分割、不可克隆和测不准的特性，所以一旦存在窃听就必然会被发送者察觉并规避。

“传统的信息安全都是依赖于复杂的算法，只要计算能力足够强大，再复杂的保密算法都能够被破解。量子通信能做到绝对安全，是由量子自身的特性所决定的，计算能力再强也破解不了，因此它是革命性的，可从根本上、永久性解决信息安全问题。”潘建伟说。

国际科学界怎么看？

纷纷点赞期待合作

中国16日成功发射全球首颗量子科学实验卫星后，多名外国科学家对于这个项目接纳奥地利科学家参加表示赞赏，希望以此进一步带动国际合作。

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。”“科学是无边界的，中国和奥地利科学家合作的这个量子卫星项目正是让人兴奋的明证，”英国剑桥大学量子物理学教授阿德里安·肯特对记者说。

俄罗斯量子中心的“量子通信研究团队”负责人库罗奇金说：“在未来量子计算机时代，只有量子通信能够保证信息安全。”他认为，量子通信研究目前有几个发展方向，一是查找构建量子通信网所面临的技术薄弱环节；二是针对可能出现的攻击量子通信的手段，提前制订某些防范方案；三是为构建量子通信系统，各方应达成哪些必要协议。

量子卫星构想如何实现？

十余年努力不断创造传奇

此刻，量子卫星已在太空轨道上翱翔。而它最初的构想，始于十几年前。

2001年，31岁的潘建伟从欧洲回国，在中科大组建了量子信息实验室。2003年，当大多数人仍致力于在实验室内部的原理性演示时，潘建伟和同事们已经萌生了“天地一体化”量子通信网的初步构想，“量子科学实验卫星”正是这个构想中的关键节点。

“工欲善其事，必先利其器”。围绕这一远景目标，潘建伟团队开始了十余年的技术积累。他带领团队在自由空间量子密钥分发、量子纠缠分发和量子隐形传态实验等方面不断取得国际领先的突破性成果。

2005年，潘建伟团队在世界上第一次实现13公里自由空间量子通信实验，证实光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而验证了星地量子通信的可行性。

随后，他们又不断创造“传奇”：16公里自由空间量子隐形传态、百公里级自由空间量子通信、星地量子通信的全方位地面验证实验……为星地量子通信打下了坚实基础。

经过十多年的发展，中国在量子通信领域已成为名副其实的世界劲旅。而这十多年间，从构想、攻关、立项到突破，人类历史上第一颗量子通信卫星终成现实。

上天做什么?

4种武器挑战4大实验任务

目前，国际上还没有一个国家将量子科学实验送入空间，量子卫星的研制没有任何经验可循，过程充满了困难和挑战。

科学家在量子卫星上搭载了自主研发的“四种武器”：量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子试验控制与处理机。