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　　3月20日凌晨，國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》公布了一項來自中國的研究成果。這支中國科研團(tuán)隊首次實現(xiàn)了微納量子衛(wèi)星和可移動小型地面站之間的實時星地量子密鑰分發(fā)，并與南非的斯坦陵布什大學(xué)開展了一次實驗合作。

　　中國科研團(tuán)隊無視中國和南非1.29萬千米的間隔距離，成功在兩國之間建立量子密鑰，完成了一次圖像加密傳輸！《自然》雜志盛贊中國團(tuán)隊展示了衛(wèi)星量子密鑰分發(fā)技術(shù)的成熟，創(chuàng)造了一次量子通信的里程碑式壯舉。

　　從2003年萌生量子衛(wèi)星通訊到2025年完成量子通信的數(shù)據(jù)傳輸，期間我國科學(xué)家先后研制出墨子號、濟(jì)南一號等量子衛(wèi)星，讓中國的量子通信技術(shù)再次走在了世界前列?？蛇@量子通信究竟是何物？我國本次又取得了怎樣的突破呢？

　　想要了解量子通信，我們必須先清楚量子的定義。自然界的光子、質(zhì)子、電子等基本粒子都可以稱之為量子，它是能量的最基本攜帶者，也是物理界中最小的單元。

　　整個世界其實都是由量子構(gòu)成的，比如我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷墓饩€，事實上就是由無數(shù)個光量子組成。但同時量子又存在著不同于物理世界的奇妙特性，其中最著名的就是量子糾纏與量子疊加。

　　首先解釋量子疊加，在宏觀物理世界中，一個物品的狀態(tài)是恒定的，一就是一、二就是二。但量子世界不同，它具有多個可能狀態(tài)的疊加態(tài)。一個物體的狀態(tài)可能介于一或者二之間，它可以是一，也可以是二，亦或者兩個都不是。

　　這樣解釋或許有點復(fù)雜，我們可以拿神話故事的孫悟空分身術(shù)舉例，孫悟空能通過分身同時存在于多個地方，而這些分身就相當(dāng)于孫悟空的疊加態(tài)?，F(xiàn)實生活中，一個正常人不可能同時存在于兩個地方，但量子卻可以存在于多個地方。

　　而量子糾纏其實是量子疊加的另一種表現(xiàn)，意思是兩個處于糾纏態(tài)的量子無論間隔多遠(yuǎn)，都會受到彼此的影響而發(fā)生變化。這種現(xiàn)象可以超出時間限制，被愛因斯坦稱為“幽靈般的超距作用”，是現(xiàn)今量子力量中最神奇的現(xiàn)象。

　　基于以上兩種量子力學(xué)原理，科學(xué)家們便聯(lián)想到了量子通信。量子通信是指對量子態(tài)進(jìn)行操控，讓信息能做到無視距離在兩地之間發(fā)生交互，完成傳統(tǒng)通信無法勝任的任務(wù)。量子通信是目前人類已知最安全的通信方式，能解決一切信息安全問題。

　　傳統(tǒng)計算機(jī)信息傳遞是依靠微電子技術(shù)為基礎(chǔ)，其密鑰是基于各類數(shù)學(xué)算法，但此類算法都是可以被計算人為破解的，因此存在嚴(yán)重不安全性。反觀量子通信，因其具備測量的隨機(jī)性和不可復(fù)制性，因此幾乎無法被破譯。

　　這就好像一架飛機(jī)，我們可以通過雷達(dá)測速精準(zhǔn)獲取飛機(jī)的位置、速度。但在量子世界中，觀測會破壞量子狀態(tài)，如果量子的位置被準(zhǔn)確獲悉了，那它的速度就無法測量，這使得量子具備天然加密性。

　　既然量子通信是一種無條件安全的通訊方式，那為何人類沒有廣泛應(yīng)用呢？因為目前人類在該領(lǐng)域遇到了兩大難題，第一是現(xiàn)實條件的安全性問題、第二是遠(yuǎn)距離傳輸問題。而眼下的中國，正在想方設(shè)法克服這兩大難題，讓量子通信從實驗室走向社會。

　　1996年中科大畢業(yè)的潘建偉前往奧地利進(jìn)修博士學(xué)位，并立志在量子信息領(lǐng)域研究出一番作為。五年后他學(xué)成回國，并立刻在中科大組建了量子信息實驗室，潛心開展量子信息研究。

　　潘建偉的研究得到了中科大、中科院以及國家自然科學(xué)委員會等眾多機(jī)構(gòu)的大力支持。在多方支持下，潘建偉腦海中涌現(xiàn)了一個瘋狂設(shè)想——利用衛(wèi)星實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)。

　　地面光量子信號的傳輸以光纖為信道，其中的損耗十分嚴(yán)重，量子信號僅能傳輸200千米。但如果是在完全真空的外太空，利用量子衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)站，再通過城市的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)將其串接，即可大幅延長量子通信距離。

　　于是在2016年，我國發(fā)射了全球首顆量子試驗衛(wèi)星“墨子號”。2017年6月16日，墨子號完成了國際首次千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)實驗。8月10日，墨子號再度完成兩大突破壯舉，實現(xiàn)全球首次衛(wèi)星至地面的千公里級量子密鑰分發(fā)，以及地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)，向覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)邁出了關(guān)鍵一步。

　　但不可否認(rèn)的是，墨子號在創(chuàng)下多個“國際首次”新紀(jì)錄的同時，也存在成本較高、無法直接覆蓋全球等多個技術(shù)缺陷。墨子號的偉大之處在于向世人充分驗證了量子衛(wèi)星通信的可能性，向后人揭開了一個新的通信時代。

　　此后，中國科學(xué)家們便朝著如何降低衛(wèi)星成本，構(gòu)建高效率、實用化的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)發(fā)。中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院歷經(jīng)6年研究，終于突破了衛(wèi)星姿態(tài)的高精度跟瞄、天光地影量子通信等一系列核心技術(shù)，打造出了國際第一顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號”，并于2022年7月27日順利發(fā)射入軌。

　　與前作墨子號相比，濟(jì)南一號作為一顆微納衛(wèi)星體量上要小太多，其量子密鑰分發(fā)荷載僅有22.7千克，整星質(zhì)量也只有96千克，是墨子號的1/6，同時功耗上也得到了大幅優(yōu)化。為了降低成本，濟(jì)南一號的量子密鑰分發(fā)載荷選擇了商業(yè)航天的低等級元器件。

　　“九游娛樂的安全性怎么樣？”

　　除了衛(wèi)星，科研團(tuán)隊還研制出了便攜式地面站。地面站單個僅重100千克，而傳統(tǒng)的光學(xué)地面站重量要超過1.3萬千克。團(tuán)隊在武漢、合肥、南山等地區(qū)先后進(jìn)行了應(yīng)用測試，結(jié)果顯示地面站無論是在城市還是山區(qū)均能做到有效部署，并且全程只要3~5小時，量子通信朝著真正應(yīng)用又邁了一大步。

　　除此之外，濟(jì)南一號相較于傳統(tǒng)墨子號的微納通信道，創(chuàng)新性的采用了雙向衛(wèi)星-地面光通信系統(tǒng)。它能同時傳輸量子密鑰和傳統(tǒng)和數(shù)據(jù)，時效性要比墨子號提升3個數(shù)量級。濟(jì)南一號還具備多重加密和認(rèn)證體系，安全防護(hù)設(shè)計要更勝一籌。

　　在3月20日的研究工作中，我國科研團(tuán)隊在量子微納衛(wèi)星和濟(jì)南、合肥、南山南非斯泰倫博斯等地面光學(xué)站之間建立光鏈路，實現(xiàn)了實時星地量子密鑰分發(fā)實驗。星載量子平均每秒可發(fā)送2.5億個信號光子，一次過軌對接實驗?zāi)苌?50 kbits-1Mbits的安全密鑰，平均成碼率高達(dá)3 kbps。

　　團(tuán)隊通過將衛(wèi)星作為可信中繼，實現(xiàn)了橫跨地面1.29萬千米的數(shù)據(jù)中繼和密鑰共享?！蹲匀弧冯s志不禁稱贊道：這項成果是技術(shù)上令人欽佩的成就，意味著衛(wèi)星量子技術(shù)的長足進(jìn)步。

　　盡管目前全球各國在量子通信領(lǐng)域的競爭空前激烈，但我國在國際上的研究水平依然穩(wěn)居世界第一梯隊，甚至說是國際領(lǐng)跑也毫不為過。無論是技術(shù)創(chuàng)新、人才儲備、政策支持還是產(chǎn)業(yè)協(xié)同，中國方方面面都走在了世界前列。