美国、欧洲和日本都计划发射量子卫星。为什么只有中国成功了？

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8月16日1: 40，中国在酒泉卫星发射中心成功发射了世界上第一颗量子科学实验卫星(简称量子卫星)，搭载长征二号运载火箭。我们国家的科学研究又迈出了重要的一步！这两颗卫星将与预计于9月中旬在中国发射的天宫二号一起，在卫星和地面之间进行大规模的空量子通信实验。

什么是量子通信？这项技术将如何改变我们的生活？中国在量子通信领域处于什么水平，未来的发展趋势是什么？在这里，作者为读者打开了通向量子通信世界的神奇之门。

1、绝对安全的沟通方式

量子信息科学是量子力学和经典信息科学相结合的一门交叉学科。其研究领域主要包括三个方面，即量子计量、量子通信和量子计算。目前，量子计量和量子计算仍处于科学研究阶段，而量子通信研究是最广泛和最接近实际应用的。量子通信主要分为两类，一类是量子保密通信，另一类是量子隐形传态。这里我们主要谈论前者。

量子安全通信，也称为量子密钥分配，是目前唯一被证明绝对安全的通信方法。其功能是实时动态地在双方(爱丽丝和鲍勃)之间分配密钥，以确保通信的绝对安全性。

传统的安全通信是在爱丽丝和鲍勃相遇时预先选择并分发密钥，或者派一个特殊的人来传递密钥。这种方法使用起来不方便而且价格昂贵，通常用于特殊情况，如潜艇和基地之间的通信。量子密钥分发可以在爱丽丝和鲍勃之间建立量子信道，并根据需要实时分发密钥。如果在密钥分发过程中有攻击或窃听，爱丽丝和鲍勃可以检测到它们。

例如，爱丽丝给鲍勃发了一条秘密短信。爱丽丝和鲍勃首先通过量子信道分配一个共享密钥，然后用这个密钥加密要发送的短消息。Bob可以在收到加密的短消息后用相同的密钥读取消息。没有必要担心在整个过程中被黑客攻击或窃听。

钥匙类似于储物柜的钥匙。量子密钥分配是给爱丽丝和鲍勃分配一个相同的密钥。爱丽丝把要发送的短消息锁在保密柜里，然后邮寄给鲍勃。收到密件后，鲍勃可以通过用和爱丽丝一样的钥匙解锁来阅读短信的内容。对其他人来说，得到机密的柜子是没有用的，因为他们根本不知道钥匙是什么样子的。

量子保密通信示意图

2.为重大军事和政治活动提供技术支持

现代人的生活与密码密切相关。我们的银行卡、电子邮件和支付宝账户都需要密码来保护。1984年，贝内特和布拉萨尔提出了第一个量子安全通信协议，开创了量子通信研究的新领域。

最广泛使用的密码是RSA密码，它是基于大数分解的数学问题，难以解决以保证安全性。然而，如果有足够的计算能力，这个密码系统很容易被破解。

1994年，在美国电话电报公司贝尔实验室工作的彼得·肖尔提出了一种基于量子计算机的量子因式分解算法。对于一个129位的阿拉伯数字来说，用成千上万台现代计算机来分解它需要几十年的时间，而量子算法要比几分钟的时间大一百万倍。

这给RSA密码系统的安全性带来了灾难性的挑战。虽然量子计算机的出现还为时过早，但是一旦量子计算机从理论走向现实，许多基于计算安全的主流安全通信系统将完全没有安全性，这对密码学构成了极大的威胁，从而促使许多学者关注量子安全通信。

经过30多年的快速发展，量子保密通信已经经历了基础研究和技术突破，并已逐步投入实际使用。目前，其应用主要集中在对信息传输安全性要求较高的领域，如政务、军事、金融、大型企业等。

2004年，奥地利银行在世界上第一次使用量子安全通信技术将市长的一张重要支票发送给银行。2007年，瑞士全国选举的结果通过量子保密通信传输，以确保选举结果的绝对安全。

在2009年第60次国庆阅兵、2012年中国共产党第18次全国代表大会和2015年中国抗日战争暨世界反法西斯战争胜利70周年阅兵中，中国开通了量子通信热线，部署了量子加密电话网络和量子加密数据传输设备，量子通信设备运行稳定，取得良好效果，为中国重大军事政治活动提供了基于量子安全的技术支持，得到了国家有关部门和领导的高度肯定和评价。

3.在大国之间的激烈竞争中，量子保密信息网络逐渐覆盖了整个世界

近年来，世界上许多国家都在验证和建设量子保密通信网络。从2003年到2007年，美国国防高级研究计划局(DARPA)建立了一个10节点的量子通信网络，随后国家标准和技术局(National Bureau of Standard and Technology)和阿拉莫斯国家实验室(Alamos National Laboratory)分别建立并运营了一个小规模的量子安全通信网络。中国宣布京沪干线量子保密通信项目后，美国启动了全国性的量子环网项目。

美国量子环网络项目

从2004年到2008年，欧洲有41家研究机构和企业共同建设和运营SECOQC量子通信网络，瑞士和西班牙也相继建设了各自的量子通信网络。最近，欧盟发布了“量子宣言”，将于2018年启动一个10亿欧元的量子技术旗舰项目，旨在让欧洲在量子技术研究方面处于领先地位。

2010年，日本建立了东京量子通信网络，展示了可应用于移动通信的视频会议、量子通信手机和关键存储卡。南非、泰国、澳大利亚等国家也建立了自己的量子通信实验网络。

中国在2007年展示了北京四节点量子网络，然后在2009年建造了世界上第一个量子政府网络——芜湖量子政府网络。2012年，46节点的合肥都市量子通信示范网络建成，这是世界上第一个大型量子通信网络，连接了40组量子电话用户和16组量子视频用户。

2012年，新华社和中国科技大学合作建设了全球首个金融信息领域的量子通信应用网络。2014年，济南量子通信实验网建成，济南市拥有50个节点用户和90个服务用户。

2013年，中国启动了京沪干线量子保密通信项目，该项目将建设一个连接北京和上海、贯穿济南和合肥的高度可靠、可扩展、融合国防和民用技术的城际量子通信网络，全长2000多公里。预计将于2016年底投入使用。

京沪干线是世界上第一条广域光纤量子保密通信主干线路，连接了山东省原济南量子通信实验网和安徽省合肥市量子通信实验示范网，形成了基于可信量子中继的大规模广域量子保密通信网络，完成了长距离光纤量子保密通信技术的综合验证以及多媒体、金融、电子政务等应用示范，开展了技术标准和系统安全评估认证的相关研究。

量子卫星实现了京沪干线与新疆之间的远程量子通信

量子通信网络的建设和量子通信技术的加速应用推动了量子通信产业的快速发展。随着工业化的发展，吸引了一批公司来开发、生产和销售量子通信设备，如美国雷神公司(BBN)、英国奇奈蒂克公司、瑞士IDQuantique公司、日本东芝公司、日本电气公司、三菱电气公司、日本NTT公司、中国国盾量子、安徽量子等

4.中国第一颗量子卫星开启了全球量子通信时代

科学家们一直致力于全球量子通信的研究。然而，为了实现全球量子通信，有必要突破距离限制。光纤量子通信的距离约为100公里，只能实现城域网的量子保密通信；结合量子中继器，可以进一步实现城际网络中的量子保密通信，距离可达数千公里。然而，量子中继器实用化还有很长的时间。目前，通过卫星实现全球远距离量子通信是国际公认的最可行的方案。

2008年，萨林杰和欧洲的其他科学家提出了一项计划，在国际空间站率先发展星地量子通信，但该计划最终没有给出明确的时间表。塞林格是潘剑伟的导师。他们各自领导着一个领先的国际量子通信研究小组，并在远程量子通信领域保持了多年的竞争性友谊。

目前，美国、欧洲、日本、加拿大、新加坡等国家都计划发射量子通信卫星，竞争十分激烈。值得骄傲的是，中国将率先在卫星和地面之间进行大规模量子通信实验。中国科学院第三颗卫星量子科学实验卫星空科学试点项目已进入酒泉卫星发射中心，将于8月中旬发射；与此同时，天宫二号已经进入酒泉卫星发射中心，将于9月中旬发射。

基于量子卫星的中奥量子通信

如果实验成功，中国将建立首个通过卫星连接亚欧大陆的洲际量子安全传输通道，也将为中国科学家在量子理论和相对论基础研究方面取得突破性进展提供新的平台。

同时，结合京沪线等地面光纤量子通信的城域网和城际网，可以通过量子卫星实现数千公里和数万公里的远程或洲际量子通信组网，进而实现天地一体的全球量子通信网络。在量子通信实验卫星实验成功后，中国将陆续发射多颗量子卫星，并有望在2030年实现全球广域量子保密通信网络。

此外，量子通信需要高精度设备，一些核心设备需要独立研发。因此，量子通信的产业化必将推动中国光电子器件产业的发展和技术突破。招商证券分析师认为，2016年量子通信的整体产业规模将达到数十亿，预计2020年将达到数十亿。

可以说，随着京沪干线量子保密通信项目和量子科学实验卫星项目的实施，中国将开启全球量子通信时代，2016年将成为全球量子通信时代的第一年。

附件1:中国的量子通信研究成果代表了世界最高水平

2000年以前，量子通信的大部分重要成果来自美国和欧洲。20世纪90年代以来，中国逐渐进入了这一研究领域，但基本上是处于追随和参与的角色。2000年后，中国逐渐成为量子通信领域的主力军。中国高度重视量子通信研究，并给予大力支持。通过基础科学研究和关键技术突破，中国涌现出一大批具有世界影响力的成果，培养了一大批国际一流的子领域人才。

光纤量子通信:中国保持世界水平。

2005年，中国科学技术大学郭广灿院士课题组完成了从北京到天津全长125公里的光纤量子保密通信实验，达到了当时世界领先水平；2012年，光纤量子通信距离延长至260公里，这基本上是光纤量子保密通信的极限水平，也是公开报道的商用光纤量子通信的最长传输距离。

空量子通信:中国科学家和世界主要竞争者交替刷新世界纪录。

2009年，中国科学技术大学与清华大学联合课题组成功实现了当时世界上最远距离为16公里的量子隐形传态，证实了量子隐形传态穿越大气层的可行性。

2012年8月，中国科技大学潘剑伟院士课题组在世界上首次成功实现了100公里量级的量子隐形传态和纠缠分布。该实验的成功意味着量子通信的传输距离在0+时将达到1000多公里，基本解决了量子通信卫星的远距离信息传输问题。同年9月，维也纳大学和奥地利科学院的物理学家刷新了一项新的世界纪录，将量子态的最远传送距离提高到143公里。

2013年5月，中国科学家成功实现了热气球与地面之间的量子保密通信，德国科学家实现了飞行器与地面之间的量子保密通信，验证了运动平台上量子通信的可行性。

量子通信的反攻击:中国科学家做出了引领世界的贡献。

2005年，清华大学的王教授和加拿大的罗康瑞教授分别提出了实用的量子保密通信协议诱饵BB84协议。它克服了没有理想单光子源带来的窃听隐患。

2013年，中国科技大学潘剑伟院士和鲁伯诺克等人的研究团队独立实现了独立于探测器的量子安全通信，克服了所有针对探测器的攻击，完美解决了量子黑客的隐患。这项成就被选为2013年美国物理学会国际物理学的主要进展。

量子存储和量子中继:中国代表了世界上最先进的水平。

2015年，中国科学技术大学李传锋课题组首次成功开发了高维固态量子存储器，实现了一次可存储100个量子位的多模固态量子存储器，创造了世界最高水平。2016年，中国科技大学的潘剑伟在世界上首次实现了100毫秒的高效量子存储器。量子中继的核心是量子存储技术，它为长距离量子中继系统的构建奠定了坚实的基础。目前，中国的量子存储技术原则上已经能够通过量子中继支持500公里以上的量子保密通信，超过了光纤直接传输的限制。

中国在量子通信领域的成就得到了国际同行的肯定。中国科技大学潘剑伟院士获得2012年国际量子通信奖，是目前唯一获得该奖项的中国人。中国科学技术大学的陈郁敖在2013年被欧洲物理学会授予菲涅尔奖。

鉴于中国科学家在量子信息领域的杰出贡献，2014年量子通信、测量和计算国际会议在中国成功召开，这是量子物理和量子信息研究领域最著名、最有影响力的国际会议。中国在量子通信领域的成就六次被国际权威机构评为年度国际物理重大进展。中国科技大学潘剑伟院士的多自由度量子隐形传态成果被英国物理学会新闻网站《物理世界》评为2015年国际物理学十大突破之一。

附件2:量子物理学的神奇原理

量子安全通信的绝对安全性由以下原则保证。即使窃听者拥有无限强大的技术和计算能力，只要他不违反量子力学的基本定律，量子保密通信就能保证通信的绝对安全。

单光子不可分原理。在传统通信中，强光脉冲或电信号经常被用于传输，窃听者可以截获一部分能量并窃取信息。量子通信中信息的传输载体是单光子，它是最小的能量单位，是不可分离的。光子的概念是由爱因斯坦在1905年首次提出的。他认为光束由一个能量包层组成，这个能量包层后来被称为光子或光量子。基于对光子的理解，爱因斯坦成功地解释了光电效应，并获得了1919年诺贝尔物理学奖。

海森堡测不准原理。它是由德国物理学家海森堡在1927年提出的。这个原理说，我们不可能同时准确地知道一个粒子的位置和速度，这表明微观世界中粒子的行为与宏观物质的行为有很大的不同。精确测量一个量的粒子会使另一个量完全不确定。因此，任何观察者都无法通过一次测量获得单个光子携带的信息的量子状态。

薛定谔的猫

测量塌陷原理。薛定谔的猫，当人们不打开盒子来观察猫的时候，也就是说，当没有测量的时候，猫就处于一种死与活的叠加状态。然而，当人们打开盒子观察猫，也就是测量它时，猫不是活着就是死了，并且只能处于两种状态之一。科学家称这种测量为崩溃。因此，对于量子保密通信来说，如果窃听者想要截获信息，他们必须测量携带信息的光子，而测量不可避免地会崩溃，即改变光子的原始状态，这将被双方发现。

量子不可克隆定理这意味着未知的量子态不能被精确克隆，这与我们日常的理解大相径庭。我们计算机中的文件可以随意复制，但是携带信息的量子态不能精确复制。因此，窃听者不能复制光子，也不能通过多次测量获得光子的准确状态信息。

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来源：央视线