全球首颗量子卫星“墨子号”升空，它是如何做到“不可窃听、不可破译”的呢？

新华社甘肃酒泉８月１６日电（记者吴晶晶、杨维汉、徐海涛）２０１６年８月１６日１时４０分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。这将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

“墨子号”之所以用墨子命名，是因为早在2500多年前墨子就在《墨经》里记载了“光沿直线传播”、“小孔成像”、“凸面镜成像”等光学八条，显示了我国在光学领域领先于时代的技术。而“墨子号”量子卫星主要进行的就是光量子实验，将光量子特性应用于通讯领域，以实现绝对的安全通讯。

（“墨子号”和研发团队） 

量子通信是如何实现“绝对”安全的？

量子通信的安全性基于量子的两个基本物理属性：单光子的不可分割性和量子不可复制性。这两个物理特性决定了量子通信的不可窃听和不可破解，确保了身份认证、传输加密和数字签名等的无条件安全，根本上、永久性的解决了信息安全问题。

听起来很厉害的样子，可是世界上存在“绝对”的东西么？

我们的宏观世界可能不存在，可是这是微观世界。量子是能量的最小单位，光量子也就是光的最小单位，这就决定了单光子的不可分割性。

那么，什么又是单光子，想要捕捉一个单光子有多难？

“墨子号”首席科学家潘建伟院士举过一个形象的例子：一个十五瓦的灯泡每秒钟辐射出的光量子个数可以达到百亿亿个，想要实现单个光量子的制备就如同在这百亿亿个光量子发射出来的瞬间捕捉到其中的某一个。难度可想而知。

其次还有单光子探测技术，单光子是光能量的最小单位，能量很弱，因此需要有极其精密和高效的单光子探测技术。只有具备单光子制备和探测技术后，才能实现量子通信。

在一发一收的过程中，承载着信息的量子就完成了信息的传送。而在这个过程中，一旦出现窃听行为，由于量子的不可分割、不可复制的特性，马上就会被发送者发现并规避。

那么，何为量子的不可复制原理？

1982年Wootters，Zurek和Dieks在论文《单量子态不可克隆》提出了“量子不可复制原理”，即在量子力学中，不存在这样一个物理过程:实现对一个未知量子态的精确复制，使得每个复制态与初始量子态完全相同。即我们并不能制造出一个量子态完美的复制品，只能将量子态从一个粒子完全传送到另一个粒子，而随后第一个粒子将不在处于原量子态。在通讯中，任何企图复制原量子态的行为都会留下痕迹，然后被发现。

被窃听者一旦发现有人在窃听，这一窃听信息也就失去了价值。因此量子通信对于国防、商业、科技、通讯、个人隐私保护都有重要意义。

经典加密和量子加密

也许你还是不明白为什么我们要用量子通讯方式来代替现在的通讯方式，这是因为我们的通讯信息可以被窃听。虽然我们不断在复杂加密方式，但现在的通讯方式仍然有漏洞，给不怀好意的信息窃听者留下了可趁之机，为了保证通讯的绝对安全，我们必须构建自己的安全信息安全网。

目前使用的信息传输方式主要是源头加密、末端解密、双方分配秘钥的方式，而任何的传送渠道都是可能的窃取渠道，经典数字信息可以被完美复制。信息被中途截取的可能太大，只能通过加密的方式来保证信息不被破解。

我们现在使用的加密方式主要是经典加密方式，这种加密方式采用复杂的算法，加密和解密工作量都很大，但是只要有足够强大的电子计算机，仍然可以破译。即使使用了保密性极强的“一次一密体制”，秘钥分配到双方的手中也需要借助第三方，但是谁能保证第三方不会将秘钥泄露给窃听者？即使第三方没有将秘钥泄露，窃听者也可以在秘钥分发过程中直接截取秘钥。

而且一次一密对于海量的信息传递要求来说也是海量的工作量，每次的传递信息都要求新的秘钥，并且秘钥的长度必须不小于信息的长度。

但是，如果信息是通过量子传输的，那么任何的窃听行为都会留下痕迹，而这一痕迹是如何留下的呢？

量子加密通讯手段主要有两种——量子秘钥分发和量子隐形传态。

在“墨子号”的试验中，量子秘钥分发将会在中国科学院和奥地利科学院之间进行，也就是说“墨子号”的通讯能力能够覆盖整个亚欧大陆。

按照计划，可以先由中国科学院生成一个0到1的随机秘钥序列，并选择一个对应的极化方式，随后根据秘钥序列和极化方式生成一个单光子序列，然后利用“墨子号”将这个序列发送给奥地利。奥地利科学院在接受到信息后，将对这一单光子序列进行测量，然后和中国方面进行对比，在没有被窃听过的状态下，这一单光子序列就会保持原来的极化状态。这一序列就是有效的量子秘钥。

如果极化方式改变，那么这个秘钥就失效了。因为窃听者在窃听时，也必须测量光子的极化状态，而根据不可复制原理，这会改变光子的极化状态。

第二种加密方式是量子隐形传态。

量子隐形传态利用了量子的“纠缠态”，一对纠缠量子，即使距离遥远也具有“心电感应”，一个发生变化，另一个也会瞬间发生相应的变化。目前测量到的最远距离隐形传态是143公里，这次“墨子号”的任务之一就是验证这一理论是否适用于太空，量子纠缠和隐形传态可否在星地之间保持。

将处于纠缠态的两个粒子作为秘钥分别发放给信息通讯的双方，在发放的过程中，如果其中一个粒子被复制，粒子状态就会改变，窃听行为就会被发放者发现。

因此，量子简直就是天生的“防窃听神器”。

“墨子号”上带了什么？

在墨子号上主要有三类装置，首先是激光器，用来生成单个光量子的，即墨子号试验的原材料。

然后是一个量子纠缠源，只有机顶盒大小，主要用来生成一对对纠缠状态的光量子，是量子卫星在空中试验的各种源头。

最后是两个发射装置，一个量子秘钥通信机，一个是量子纠缠发射机。这两个装置需要完成地对星和星对地几千公里距离的精准发射，并且向左向右同时传输量子秘钥。

对此，中科院国家空间科学中心主任吴季说：“激光器一站对一站有人做过，但一颗卫星对准两个地面站国际上还从来没有过。如果成功的话，在国际上也是首次实现这么高精度的跟踪和地面站配合。”

对于“墨子号”的量子卫星通讯效果，潘建伟院士介绍到，如果说地面量子通信通过连接每个信息传输点，构建了一张连接每个城市的网，那么量子卫星就像一杆标枪，将这张网射向了天空。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。

“地面量子通信”主要是借助光纤传播，但是这种技术传送空间十分有限。光量子在光纤中传播一百公里后就只剩下了1%的信号，因此如果想要远距离传输信息，就需要每隔一段距离设一个中转站，就像接力一样一棒一棒的传下去，直到信息运输终点。目前建设完成的合肥、济南规模化量子通信城域网和即将建成的“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网就是这样的操作方式。

而根据潘建伟的研究，光量子穿透大气层后却可以保存80%左右的信号，再利用卫星的中转，就可以实现地面上相距数千公里甚至覆盖全球的量子保密通信。

这一次，也许我们走在了时代前沿。