首颗量子通信卫星（欧美日尚在起步阶段）

2013 年，斯诺登棱镜门事件揭开了美国的虚伪面纱，全世界各个国家都被美国严密监视， 美国国家安全局对德国境内的电话、电子邮件和短信通讯进行窃听和储存的规模高达每个月5亿次。通常德国每天有近2000万个电话和1000万个互联网数据集遭到监控。而如果一旦军事领域收到监视，那么任何行动都暴露在美国的眼前，将无所遁形。那么国家安全将遭受到严重威胁。

如何彻底杜绝美国的监听，防止机密泄漏，打赢这场信息战，我国的科学家经过长时间， 2016年8月，中国发射世界首颗“量子卫星”——墨子号，将组建连接全世界的通信网络，而量子的特性，也将保证数据将百分百不会被泄漏。潘建伟教授经过 13 年时间研发的量子卫星，究竟有多强大，以及有什么重大意义，今天我们就来聊一下。

1935年，在普林斯顿高等研究院，爱因斯坦、博士后罗森、研究员波多尔斯基合作完成论文《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的？》，并且将这篇论文发表于5月份的《物理评论》。这是最早探讨量子力学理论对于强关联系统所做的反直觉预测的一篇论文。在这篇论文里，他们详细表述EPR佯谬，试图借着一个思想实验来论述量子力学的不完备性质。（EPR就是指：E:爱因斯坦、P:波多尔斯基和R:罗森）

在爱因斯坦这个实验中提到，A和B两个粒子在瞬间接触后，沿相反方向离去。虽然测不准原理不允许同时得知每个粒子的位置与动量，但他允许同时精确的测量A和B两个粒子的总动量和他们的相对距离

这样一来，如果我们只测量A的动量，再根据动量守恒定律，就可以在B不受干扰和影响的情况下，精确的得知B的动量。

戴维·玻姆版的EPR思想实验，玻姆将其简化为测量粒子自旋的实验

这样就能证明B粒子的位置与动量的现实性在对B测量之前是存在的，并不是像哥本哈根那样所认为的在测量之前不存在位置与动量，动量与位置仅仅是以概率云的形式存在！

这个思想实验里有一个非常重要的一点——“定域性假设”，即如果测量时两个系统不再相互作用，那么对第一个系统所做的无论什么事，都不会使第二个系统发生任何变化。

爱因斯坦的目的是为了反击哥本哈根学派对于量子力学的诠释。而哥本哈根学派掌门人玻尔虽然最后承认了爱因斯坦提出的“现实性”和“A,B之间不存在“力学”的影响”的观点。

但是玻尔却敏锐地指出这个实验中测量A粒子的行为是问题的关键 。

玻尔认为：A和B在分开之前曾互相作用，它们将永远作为一个系统的一部分纠缠在一起，不能视作2个独立的系统，因此测量A的动量实际上等效于对B进行了直接的同样的测量，这才使得B立即有了完全明确的动量 。

这就引出了著名的“量子纠缠”理论，举一个例子，在微观世界里，两个纠缠的粒子可以超越空间进行瞬时作用。也就是说，一个纠缠粒子在地球上，另一个纠缠粒子在月球上，只要对地球上的粒子进行测量，发现它的自旋为下，那么远在月球上的另一个纠缠粒子的自旋必然为上。

但爱因斯坦立马反驳，量子纠缠怎么可以让两个粒子超越空间的进行瞬时作用呢？这不就是突破了光速极限了吗？

爱因斯坦为此也举了一个例子。把一双手套分别放入两个外观完全相同的两个盒子里，打乱之后，随机挑选一个放在家里，而把另一个放到南极洲。倘若我打开家里的盒子发现为左手套，那么我就同时知道，远在南极的那个盒子里的手套必为右手套。爱因斯坦相信，量子纠缠是一个粒子被分割成两个粒子后形成的纠缠现象，所以它们各自的状态在被分离开的那一瞬间就被决定好了！这样一来，量子纠缠就不能超越光速了。

后来科学家提出了一个名为“贝尔不等式”的定理。简单一点说，贝尔不等式就是说，量子纠缠背后到底有没有一个未知的新世界或者新现象干预着粒子之间相互作用，进而导致自然世界出现了像量子纠缠这种神奇的“表象”。如果该不等式成立，那么爱因斯坦获胜，如果该不等式不成立，则玻尔获胜！

目前为止，尽管还不知道爱因斯坦和玻尔究竟谁对谁错，但是量子纠缠现象的确是存在的， 这些年来，众多研究结果促成了应用这些超强关联来传递信息的可能性，从而导致了量子通信的发展，量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。

因为就像我们前面说到的这样，具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化，利用这个特性实现光量子通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量（一种操作），则接收方的粒子瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换（相当于逆转变换），即可得到与发送方完全相同的未知量子态。

经典通信较光量子通信相比，其安全性和高效性都无法与之相提并论。安全性-量子通信绝不会“泄密”，量子通信技术被认为是“保障未来信息社会通信机密性和隐私的关键技术”。

因为量子通信要求光源发射单光子，因为单光子的量子状态不可复制、不可窃听。但实际上我们一般采用的是弱相干光子源 ，这就产生了光源不完美的漏洞。再弱的相干光都存在多光子成分，可能发出两个或更多光子。针对弱相干光的这一特点，攻击者可以采取所谓的PNS 攻击，简单地说，可以理解为：在光源发射方发出多光子后，攻击者窃取一个光子，剩余光子传给接收者。如果攻击者与接收者进行相同基矢测量，就能获得与接收者相同的信息，也就是窃取信息。

由于单光子不可分割、不可复制，不能像传统通信那样进行复制放大，所以百公里几乎已成量子通信的极限。

所以目前量子通信的难度就在于如何实现光源发射单光子以及实现远距离量子通信。

潘建伟教授就多年从事量子通信研究， 1996年，硕士毕业经导师推荐，潘建伟赴奥地利因斯布鲁克大学攻读博士学位，师从量子实验研究的世界级大师蔡林格。由此开始了几十年的量子通信研究之路。

2003年，潘建伟研究小组开始研究自由空间量子通信，他们在实验点制备出成对的纠缠光子，再利用两个专门设计加工的发射望远镜将容易发散的细小光束“增肥”后向东西相距13公里的两个实验站送出，两个接收端用同样型号的望远镜收集。

经过研究人员的种种努力，在如此远距离的传送中，虽有许多纠缠光子衰减，但仍有相当比例的“夫妻对”能存活下来并有旺盛的生命力，经单光子探测器检测，分居东西两地的光子“夫妻对”即使相距遥远仍能保持相互纠缠状态，携带信息的数量和质量能完全满足基于卫星的全球化量子通信要求。

在此基础上，研究小组进一步利用分发的纠缠光源进行绝对安全的量子保密通信。13公里不仅是目前国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离，也是目前国际上没有窃听漏洞量子密钥分发的最大距离。

2012年8月11日，我国科学家潘建伟等人近期在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础。国际权威学术期刊《自然》杂志8月9日重点介绍了该成果。

潘建伟团队还成功建设了“合肥城域量子通信实验示范网”。该网络有46个节点，连接40组“量子电话”用户和16组“量子视频”用户。

然而，目前已经建好的通信网络都是通过光纤输运光子，光纤对光子的固有损耗就限制了量子通信的距离只能在百公里级。如果想进一步实现远距离的量子通信，就需要量子卫星了。将光子发射到太空中通过卫星中转，光子只需要穿过10公里厚的大气层，损耗很小，就可能实现全球化的量子通信网络。

也就是说高损耗的地面成功传输100公里，意味着在低损耗的太空传输距离将可以达到1000公里以上。

所以这也是我们为什么要研制量子卫星的原因。

其实，研究量子通信卫星并不仅仅只有中国，2015年，美国航空航天局计划再其总部与喷气推进实验室之间建立一个远距离光纤量子通信干线，该干线直线距离600公里，光纤皮长1000公里，拥有10个中转基站，并计划星地量子通信。

2017年，日本信息通信研究机构称，他们使用一颗名为SOCRATES的超小型卫星进行了量子通信实验，在卫星和位于东京都小金井市的一个地面站之间成功进行了光子单位的信息传送。然而，由于他们的对准精度不够，为了收到信号，一个光脉冲不得不包含一亿个光子，可以说基本上就是相当于把发送的讯息免费送给所有人看。。。

2017年，加拿大太空局宣布借鉴中国的成功经验开展量子卫星试验，滑铁卢大学的克里斯托弗·波领衔开发了原型接收机，将其安装在一架双水獭飞机上，以与低轨道卫星相似的角速度接受地面站发来的信号。

2019年4月，欧洲委员会和欧洲航天局才达成协议，为建立高度安全的泛欧量子通信基础设施迈出了第一步，准备建立一个安全的终端对终端量子通信基础设施，以保护欧盟的敏感数据和数字基础设施。

但是在量子通信技术上，中国是处于垄断地位的，就像我们说的一样，从潘建伟教授首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，经过四年时间，2016年，墨子号量子卫星成功发射。

中国科学家15日（当地时间）在美国《科学》杂志上报告说，中国“墨子号”量子卫星在世界上首次实现千公里量级的量子纠缠，这意味着量子通信向实用迈出一大步。

随着实现千公里级别的量子纠缠，量子卫星的目标是在卫星与地面站之间实现量子保密通信。而要实现这一点，关键就是在星地之间上千公里的距离上，探测到单个光子，而不是像日本一样，发射出去1亿个光子，目前，量子号的实验已经实现发射单光子。（一千公里外的量子纠缠再次否定了“贝尔不等式”，证明了玻尔的正确性，在大尺度空间上验证了量子力学的正确性。）

量子卫星的发射是有史以来量子通信第一次迈入实用阶段。量子卫星的发射为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础，

“以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。此外，将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网，如此间建立的合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线等互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络”。

目前，量子号还要实现基于纠缠的量子密钥分发， 量子密钥分发是利用量子力学特性来保证通信 安全性。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥 ，来加密和解密消息。

量子密码学的核心就是量子密钥分发，它是利用量子力学特性来保证通信安全性。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密消息。

量子密钥分发的一个最重要的，也是最独特的性质是：如果有第三方试图窃听密码，则通信的双方便会察觉。这种性质基于量子力学的基本原理：任何对量子系统的测量都会对系统产生干扰。第三方试图窃听密码，必须用某种方式测量它，而这些测量就会带来可察觉的异常。通过量子叠加态或量子纠缠态来传输信息，通信系统便可以检测是否存在窃听。当窃听低于一定标准，一个有安全保障的密钥就可以产生了。

给予纠缠的量子密钥分发是指分别在通信双方手中具有纠缠态的2个粒子，其中一个粒子的量子态发生变化，另外一方的量子态就会随之立刻变化，并且根据量子理论，宏观的任何观察和干扰，都会立刻改变量子态，引起其坍塌，因此窃取者由于干扰而得到的信息已经破坏，并非原有信息。高效，被传输的未知量子态在被测量之前会处于纠缠态，即同时代表多个状态，例如一个量子态可以同时表示0和1两个数字， 7个这样的量子态就可以同时表示128个状态或128个数字：0~127。光量子通信的这样一次传输，就相当于经典通信方式的128次。可以想象如果传输带宽是64位或者更高，那么效率之差将是惊人的。

量子卫星将彻底杜绝间谍窃听及破解的保密通信技术，抗衡外国的网络攻击与防御能力，要知道在未来军事作战就靠的是获取信息的多少，打得是信息战，而量子卫星将彻底杜绝美国获取我方情报。美国目前已经无法在量子通信技术上追赶我们，所以目前他们在大力发展量子计算机，量子计算机是未来大国角力的核心技术，但是目前 中国科学院潘建伟团队构建的光量子计算机实验样机计算能力已超越早期计算机。此外，中国科研团队完成了10个超导量子比特的操纵，成功打破了目前世界上最大位数的超导量子比特的纠缠和完整的测量的记录。

未来，我们将发射更多的量子卫星，开展卫星组网实验，实现高效的全球量子通信。在科技创新上，中国正一步步奋勇前行。

（美国在量子通信技术上是全面落后中国的，中国在单光子和纠缠光子制备技术上具有垄断地位，另外，潘建伟教授凭借在量子通信上的成就获得中国诺奖-国家自然科学奖一等奖、 欧洲物理学会菲涅尔奖 、《自然》年度科学十大人物、克利夫兰大奖等都充分肯定了潘建伟教授的成就。很多人否定量子力学，量子霍尔效应在半导体上的应用，目前在半导体行业，如晶体管的发明与发展等，都是依赖于量子力学。）

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