解密全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”

劉愛(ài)華

8月16日凌晨1時(shí)40分，由中國(guó)科學(xué)家研制的全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空，立刻引發(fā)全球關(guān)注。

為什么說(shuō)量子通信能實(shí)現(xiàn)“絕對(duì)安全”？

傳統(tǒng)的信息安全都是依賴(lài)于復(fù)雜的算法，只要計(jì)算能力足夠強(qiáng)大，再?gòu)?fù)雜的保密算法原理上都能夠被破解。而量子通信到底有什么“訣竅”，可以“防破譯”，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全呢？

這就要從量子的特殊性“量子疊加”說(shuō)起。量子，是構(gòu)成物質(zhì)能量的基本單元，是能量的最小攜帶單位，所有的微觀粒子（包括分子、原子、電子、光子）都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。在經(jīng)典物理世界里，物質(zhì)的狀態(tài)可以用0和1來(lái)描述，非0即1；而在量子世界里，物質(zhì)的狀態(tài)可以同時(shí)處于0和1的疊加狀態(tài)。

奧地利物理學(xué)家薛定諤曾經(jīng)用著名的“薛定諤的貓”這一思想實(shí)驗(yàn)來(lái)解釋量子的疊加性。實(shí)驗(yàn)是這樣的：在一個(gè)盒子里有一只貓，以及少量放射性物質(zhì)。之后，有50%的概率放射性物質(zhì)將會(huì)衰變并釋放出毒氣殺死這只貓，同時(shí)有50%的概率放射性物質(zhì)不會(huì)衰變，而貓將活下來(lái)。根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，盡管外部觀測(cè)者只有打開(kāi)盒子才能知道里面的結(jié)果，但是，在盒子里必將發(fā)生這兩個(gè)結(jié)果之一。在量子的世界里，當(dāng)盒子處于關(guān)閉狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)則一直保持不確定性的狀態(tài)。

量子疊加狀態(tài)導(dǎo)致了量子力學(xué)的不確定原理，即如果事先不知道單個(gè)量子狀態(tài)，就不可能通過(guò)測(cè)量把狀態(tài)的信息完全讀取，也就不能復(fù)制。對(duì)任意一個(gè)未知的量子態(tài)進(jìn)行完全相同的復(fù)制過(guò)程是不可實(shí)現(xiàn)的，這被稱(chēng)為“量子不可克隆原理”，從理論上保證了量子密碼的絕對(duì)安全。

“墨子號(hào)”升空有何重大意義？

先來(lái)看兩則曾經(jīng)震動(dòng)世界的新聞：2013年的棱鏡門(mén)事件，2015年《紐約時(shí)報(bào)》爆出美國(guó)國(guó)家安全局監(jiān)聽(tīng)谷歌、雅虎用戶(hù)通信信息一事，充分暴露出信息安全領(lǐng)域存在的隱患。然而這只是眾多信息安全泄露事件中暴露出的冰山一角，隨著計(jì)算能力的飛速提升，破譯數(shù)學(xué)密碼的難度也逐漸降低，信息安全隱患就像懸在各國(guó)安全領(lǐng)域的達(dá)摩克利斯之劍。

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，顧名思義，就是用于量子實(shí)驗(yàn)研究的衛(wèi)星。當(dāng)其他國(guó)家的量子實(shí)驗(yàn)研究還只是停留在地面范圍時(shí)，中國(guó)的量子實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)“搬上太空”，率先跨入了“星地時(shí)代”。

澳大利亞《衛(wèi)報(bào)》在報(bào)道“墨子號(hào)”成功發(fā)射的文章中指出，此次中國(guó)發(fā)射量子衛(wèi)星將進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、長(zhǎng)距離的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)，將有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的“防破譯”的通信，保證數(shù)字信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>

也就是說(shuō)，一方面，從國(guó)家戰(zhàn)略層面來(lái)說(shuō)，率先發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，意味著中國(guó)或?qū)⑾扔跉W美擁有量子通信覆蓋全球的能力，從而實(shí)現(xiàn)量子通信技術(shù)的全球領(lǐng)跑，使我國(guó)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占領(lǐng)制高點(diǎn)，保障國(guó)家信息安全；另一方面，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射也是我國(guó)綜合國(guó)力提升的具體體現(xiàn)，并將進(jìn)一步對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。

它的市場(chǎng)化應(yīng)用前景如何？

實(shí)踐證明，此前量子力學(xué)的發(fā)展已經(jīng)給人類(lèi)生產(chǎn)生活帶來(lái)極大的好處，比如激光、半導(dǎo)體、核能等技術(shù)的利用與普及。

“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國(guó)科大常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉院士認(rèn)為，如果量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功運(yùn)行，中國(guó)將在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，并結(jié)合地面已有的光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建一個(gè)廣域量子通信體系。結(jié)合地面即將建成的“京滬干線(xiàn)”千公里級(jí)廣域量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，可以初步構(gòu)建我國(guó)空地一體的廣域量子通信體系，為率先建成全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

有專(zhuān)家認(rèn)為，量子通信代表了數(shù)據(jù)傳輸速度與安全的未來(lái)方向，是一座萬(wàn)億級(jí)別的產(chǎn)業(yè)富礦。據(jù)估算，短期內(nèi)量子通信產(chǎn)業(yè)規(guī)模即可達(dá)數(shù)十億元，而隨著網(wǎng)絡(luò)區(qū)域擴(kuò)大及衛(wèi)星量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，未來(lái)市場(chǎng)空間將更為廣闊。