前沿|世界首颗量子通信卫星马上要发射了你还不明白咋回事?潘建伟亲自讲解+动画演示

鹰隼

一对缠绕的光子将被拆散，从太空发射到地面，开启人类保密通信的新历史。8月中旬，中国将发射首颗量子科学实验卫星。

你粘好信封，滴蜡盖上火印，但防不住有人拆开、读完再复原；你想用电磁波传递一个秘密，但“音量”再低，也防不住精细的窃听。最终，你设法将“音量”调低到如此程度：只发射一颗光子，任何间谍去测量都会破坏它,从而被发现。信息微弱到了极限——量子级别，再小心的读取都会彻底改变它，而不可能只改变一点点。中国量子卫星的保密原理就是如此。理论上绝对安全的密电一旦实现，银行和军队都将获益。

绝对保密的通信依靠量子纠缠，也就是爱因斯坦说的“幽灵般的超距离作用”来工作——两颗光子无论相距多远，总是“心灵感应”：一个变化，另一个就保持同步。于是一对纠缠的量子态的光子，可以被当作钥匙分发给北京与上海。上海读取光子B，破坏了它“既黑又白”的量子模糊状态，让它显出黑或白色；北京的光子A也将心灵感应地破坏，呈现同样颜色。如此发射和读取一连串纠缠光子，北京和上海就能得到同样的数列，比如“黑白白黑黑白黑白”，这就是密码——间谍想要读取一长串光子再原样发送，而不被发觉的可能性为零。

量子科学家操纵激光发生器，让一个光子分为两个纠缠的光子——潜在的信息寄托于它们的偏振态或其他属性，再分发到尽量远的地方并测量。中科大的潘建伟教授等科学家经过20年努力后，发明了能够长时间（毫秒级）存储量子的中继器。人们已经能在地面上传送纠缠光子跨越上百公里。奥地利曾用量子通信传递了银行支票，瑞士用它传送过大选得票信息。在中国，“北京—济南—合肥—上海”量子通信干线已经建立。

但无论是近地面空气还是光纤玻璃都容易阻挡和吸收光子。因此跨越大气层的卫星量子通信方案很吸引人。即将发射的中国量子卫星质量约600千克，由长征—2D火箭运载，运行于500千米太阳同步轨道。卫星携带的一块晶体将制造激光和一对纠缠光子，并且将他们分发到两个地面站。

为了让单个光子传送数百公里，穿越大气还能钻进地面接收器，中国量子卫星必须时刻矫正位置，保持精确朝向两个地面目标，这也是世界上未曾达到的精细度。传输错误率也得相当低，才能保证通信可行。接下来两年，中国科学家将测试被分发到相距成千、甚至上万公里的一对纠缠的光子能否保持纠缠——理论预言是可以的，但谁也没做过。

飞机和地面之间的量子通信已经实验成功。而近两年，意大利、新加坡和英国的科学家也曾利用卫星探索天地量子通信的可行性，已制造出互相关联的成对光子——纠缠光子的前一步。而中国则是第一个发射量子通信卫星试图验证整个流程的国家。

如果这次量子卫星实验成功，中国量子通信网下一步将试图连接中国和欧洲，并在2030年扩充成20颗卫星规模的全球网络。但近年来也有科学家撰文指出量子通信系统的一些安全漏洞，尽管不是量子加密方式本身的问题：比如中继站在接收和发送之间存在信息截获的可能，这是中国科学家要设法避免的。

（来源：科技日报 记者 高 博）