圖為：圖為長征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（簡稱“量子衛(wèi)星”）發(fā)射升空。
圖為：測(cè)試有效載荷光學(xué)性能（2016年 7月 21日攝）。
圖為：安裝外表面熱控材料（2016年7月26日攝）。
圖為：安裝太陽翼（2016年 7月 27日攝）。 研制過程
提要
中國16日1時(shí)40分在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。
這顆量子衛(wèi)星的發(fā)射升空，將使我國在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。
放眼全球，歐盟4月宣布將量子技術(shù)作為新的旗艦科研項(xiàng)目，迎接“第二次量子革命”;美國白宮7月建議加大對(duì)量子信息科學(xué)的投入，稱這是“國家的挑戰(zhàn)與機(jī)遇”。
第二次量子革命
大約一百多年前，我們生活在一個(gè)很正常、經(jīng)典的宇宙里，一切都合乎常情，沒有什么奇怪表現(xiàn)。隨后，量子理論出現(xiàn)了。
突然間，事物的表現(xiàn)不再總是合乎一個(gè)理性的人的料想了。在微觀尺度上，一個(gè)粒子可以同時(shí)處于兩個(gè)地方，甚至可以同時(shí)向兩個(gè)不同的方向運(yùn)動(dòng)。而且粒子之間可以互相糾纏——通過某種方式即時(shí)地遠(yuǎn)程感知、影響對(duì)方。
起源于1900年普朗克所提理論的量子力學(xué)，不斷獲得實(shí)驗(yàn)支持，在一百多年里催生了許多重大發(fā)明——原子彈、激光、晶體管、核磁共振、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等，改變了世界面貌。歐盟今年4月宣布將量子技術(shù)作為新的旗艦科研項(xiàng)目，在公告中稱上述成果為“第一次量子革命”。
量子信息技術(shù)是量子力學(xué)的最新發(fā)展，代表了正興起的“第二次量子革命”。在量子信息技術(shù)中，最具代表性的是量子通信和量子計(jì)算。中國的量子衛(wèi)星就是全球領(lǐng)先的量子通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不過在重點(diǎn)介紹量子通信之前，先來看看量子計(jì)算的威力。
依照量子理論研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)將具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，速度快過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)億萬倍。其原因之一是，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的每個(gè)比特位只有0和1兩種狀態(tài)，而一個(gè)量子比特位可以有多個(gè)狀態(tài)。美國航天局、谷歌公司等機(jī)構(gòu)在 2015年宣布，合作開發(fā)的D-Wave量子模擬機(jī)對(duì)某些問題的求解速度已達(dá)到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的1億倍。雖然這還不被國際學(xué)術(shù)界認(rèn)為是真正的量子計(jì)算機(jī)，但量子計(jì)算的巨大潛力已然展露無遺。
量子攻防戰(zhàn)
量子計(jì)算給保密帶來了巨大挑戰(zhàn)。中科院量子卓越創(chuàng)新中心的陸朝陽教授告訴新華社記者，現(xiàn)在國防、金融等領(lǐng)域廣泛使用的通信密碼都是基于數(shù)學(xué)上的計(jì)算復(fù)雜度，等到大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)真正面世的時(shí)候，在超強(qiáng)的計(jì)算能力面前，這些密碼系統(tǒng)就都會(huì)失效。
打個(gè)比方，量子計(jì)算便如可攻破一切傳統(tǒng)保密系統(tǒng)的“利矛”。
“上帝關(guān)閉了一扇門，但又打開了一扇窗，”陸朝陽說，同樣源自量子理論的量子通信技術(shù)又為保密提供了新手段。它的基礎(chǔ)是物理規(guī)律，比如在用一個(gè)光量子傳遞信息時(shí)，由于單光子已是最小單元，竊聽者無法通過截取“半個(gè)光子”來獲取信息;而竊聽者試圖對(duì)這個(gè)光子的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，量子測(cè)不準(zhǔn)原理又導(dǎo)致這個(gè)光量子的狀態(tài)發(fā)生改變，這使竊聽必然被察覺并被通信雙方規(guī)避?？陀^物理規(guī)律是沒有人能改變的，也就是說，量子通信成為保密領(lǐng)域新的“堅(jiān)盾”。
目前，量子通信的主要應(yīng)用方式是量子密鑰分配，也就是俗稱的量子密碼，即用量子通信方式來傳輸密碼。此外，還有一個(gè)探索中的前沿領(lǐng)域是量子隱形傳態(tài)，它利用量子糾纏原理，可以瞬間把量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠(yuǎn)地點(diǎn)，接近于一些科幻小說中描寫的“遠(yuǎn)程傳送”。
新一輪科技競賽
“我相信量子技術(shù)在21世紀(jì)的重要性可與上個(gè)世紀(jì)的曼哈頓計(jì)劃相比，”中科院量子卓越創(chuàng)新中心主任、中國量子衛(wèi)星項(xiàng)目首席科學(xué)家潘建偉院士說。也就是說，量子技術(shù)可能像曼哈頓計(jì)劃造出原子彈那樣改變世界格局。
由于量子通信和量子計(jì)算的巨大前景，各個(gè)大國都在競相發(fā)展相關(guān)技術(shù)。歐盟今年4月宣布，投入10億歐元支持量子技術(shù)，這是歐盟繼石墨烯和腦科學(xué)之后的第三個(gè)旗艦型科研項(xiàng)目。
美國白宮也剛剛在7月底發(fā)布官方博文，援引美國國家科技委員會(huì)7月提出的報(bào)告《推進(jìn)量子信息科學(xué)：國家的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》，建議加大對(duì)量子信息科學(xué)的投入。實(shí)際上，美國多個(gè)政府部門如國防部、航天局、國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)等早就對(duì)量子信息技術(shù)研究大量投入。尤其是NIST得到美國政府高強(qiáng)度和穩(wěn)定的支持，每年獲得大量經(jīng)費(fèi)。在過去10余年間，NIST在量子調(diào)控和量子信息領(lǐng)域產(chǎn)生了5名諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。
許多高科技公司也在量子技術(shù)方面大量投入。
中國衛(wèi)星引領(lǐng)潮流
中國量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星升空，將首次在太空開展與量子通信和量子計(jì)算相關(guān)的諸多實(shí)驗(yàn)，特別是將打造一張?zhí)斓匾惑w化的量子通信網(wǎng)。在激烈的全球競爭中，“第一顆量子衛(wèi)星”的頭銜來之不易?！傲孔油ㄐ诺母傎愖?995年在日內(nèi)瓦湖底進(jìn)行量子密鑰分發(fā)的最初演示時(shí)就開始了，”美國波士頓大學(xué)的量子物理學(xué)家亞歷山大·謝爾吉延科告訴新華社記者，他指的是歐洲在全世界最早進(jìn)行了量子通信實(shí)驗(yàn)。潘建偉院士最初也是到奧地利師從量子科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威專家蔡林格教授。蔡林格團(tuán)隊(duì)曾在歐洲申請(qǐng)發(fā)射衛(wèi)星，但審批過程不順利，現(xiàn)在成為中國量子衛(wèi)星項(xiàng)目的合作方。
中國衛(wèi)星成功發(fā)射，將執(zhí)行星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)等多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)?！蹲匀弧冯s志相關(guān)報(bào)道說，中國在這場(chǎng)“特殊的太空競賽”中走在了前面。
潘建偉科研團(tuán)隊(duì)是這個(gè)衛(wèi)星項(xiàng)目中的中堅(jiān)力量，他們還主導(dǎo)了今年下半年將交付使用的“京滬干線”量子通信網(wǎng)，這也將是全世界規(guī)模最大的量子通信網(wǎng)?？梢哉f，在量子通信研究和應(yīng)用方面，中國現(xiàn)在是世界的排頭兵。
由于此前的量子技術(shù)實(shí)驗(yàn)都是在地上完成，中國的量子衛(wèi)星還可能為科學(xué)理論研究帶來新的突破。陸朝陽說，萬一量子力學(xué)的某些規(guī)律在太空中發(fā)生變化的話，“那就打開了新的物理學(xué)的大門”。
解讀
“墨子號(hào)”開啟星際首航
——全球首顆量子衛(wèi)星揭秘
16日凌晨，被命名為“墨子號(hào)”的中國首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星開啟星際之旅。它承載著率先探索星地量子通信可能性的使命，并將首次在空間尺度驗(yàn)證量子理論的真實(shí)性。
在量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士看來，如果說地面量子通信構(gòu)建了一張連接每個(gè)城市、每個(gè)信息傳輸點(diǎn)的“網(wǎng)”，那么量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星就像一桿將這張網(wǎng)射向太空的“標(biāo)槍”。當(dāng)這張縱橫寰宇的量子通信“天地網(wǎng)”織就，海量信息將在其中來去如影，并且“無條件”安全。
信息安全的“終極武器”
量子科學(xué)，對(duì)絕大多數(shù)人來說十分高冷。最開始，人類結(jié)繩記事;然后，我們用語言和文字溝通;再后來，手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)成為必需品。信息傳輸，早已從如何傳輸，走入了“如何安全傳輸”的年代。而在這場(chǎng)比電影更精彩的現(xiàn)實(shí)大戲中，有兩個(gè)人貢獻(xiàn)了兩幕高潮。
斯諾登說，有人在監(jiān)聽。
潘建偉說，他們聽不懂。
首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”的發(fā)射成功，有望讓量子通信真正進(jìn)入廣域傳輸時(shí)代;其“測(cè)不準(zhǔn)”“不可克隆”等特性，使得其傳輸?shù)男畔⒃诶碚撋嫌啦粫?huì)被解密。
量子通信系統(tǒng)的問世，點(diǎn)燃了建造“絕對(duì)安全”通信系統(tǒng)的希望。
“四種武器”挑戰(zhàn)四大實(shí)驗(yàn)任務(wù)
我科學(xué)家在量子衛(wèi)星上搭載了自主研發(fā)的“四種武器”:量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源和量子試驗(yàn)控制與處理機(jī)。
同時(shí)，在地面建設(shè)了科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，包括1個(gè)中心——合肥量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心;4個(gè)站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站;1個(gè)平臺(tái)——阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
衛(wèi)星與地面站共同構(gòu)成天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在兩年的設(shè)計(jì)壽命期間將進(jìn)行四大實(shí)驗(yàn)任務(wù)——星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)、地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。
潘建偉介紹，實(shí)驗(yàn)大致分為三類：第一類是進(jìn)行衛(wèi)星和地面之間的量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)天地之間的安全通信，如果4個(gè)地面站任何兩兩之間都可以實(shí)現(xiàn)安全的通訊，即可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng);第二類相當(dāng)于把量子實(shí)驗(yàn)室搬到太空，在空間尺度檢驗(yàn)量子理論;第三類是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面千公里量級(jí)的量子態(tài)隱形傳輸。
10年后量子通信有望輻射千家萬戶
潘建偉說，“墨子號(hào)”發(fā)射以后，如果效果達(dá)到預(yù)期，下一步還計(jì)劃發(fā)射“墨子二號(hào)”“墨子三號(hào)”。“單顆低軌衛(wèi)星無法覆蓋全球，同時(shí)由于強(qiáng)烈的太陽光背景，目前的星地量子通信只能在夜間進(jìn)行。要實(shí)現(xiàn)高效的全球化量子通信，還需要形成一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。”
未來，一個(gè)由幾十顆量子衛(wèi)星組成的“璀璨星群”，將與地面量子通信干線“攜手”，支撐起“天地一體”的量子通信網(wǎng)。
“隨著中國科技的迅猛發(fā)展，我相信量子通信將在10年左右時(shí)間輻射千家萬戶。期盼在我有生之年，能親眼目睹以量子計(jì)算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯(lián)網(wǎng)的誕生?！迸私▊フf，“我相信中國科學(xué)家們做得到?！?/p>
評(píng)論
探索“魔法”的中國首射
中國剛剛成功發(fā)射的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”墨子號(hào)”，引發(fā)了全球科技界的關(guān)注和熱議。
中國此次發(fā)射量子衛(wèi)星的主要任務(wù)，是執(zhí)行星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)等多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。這都是量子信息技術(shù)的最前沿研究，自然是舉世矚目。
量子、引力波等許多看似枯燥無味或高深難懂的基礎(chǔ)研究，之所以吸引全球各主要國家持之以恒地研究投入，正在于它們都有著引發(fā)魔法般巨變的前景。量子力學(xué)已經(jīng)引發(fā)了社會(huì)巨變。比如，電磁波的發(fā)現(xiàn)最終使人類有了無線電通信和手機(jī)，在狹義相對(duì)論中質(zhì)能關(guān)系理論指導(dǎo)下，科學(xué)家最終制造出了原子彈、氫彈和核反應(yīng)堆，衛(wèi)星定位等技術(shù)也借助了狹義相對(duì)論的知識(shí)?；A(chǔ)科學(xué)研究可以帶給人類什么？它帶給人類無窮的可能。前沿基礎(chǔ)研究，探索的是“魔法”的奧秘，必將帶來社會(huì)進(jìn)步。
