2016年8月16日今日凌晨01時40分，我國發(fā)射首顆“量子科學實驗衛(wèi)星”。如果衛(wèi)星成功運行，我國將成為世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間量子通信的國家，并結合地面已有的光纖量子通信網(wǎng)絡，初步構建一個廣域量子通信體系，在世界上率先實現(xiàn)全球化的量子保密通信。
眾所周知，通信保密在國防、金融、政務、商業(yè)等領域具有重要作用。就目前和可以預見的將來來看，量子通信被公認是迄今為止唯一被嚴格證明能"無條件安全"的通信方式，可確保通信安全和提升計算速度。
量子世界中存在一種類似“心電感應”的現(xiàn)象，即通常所說的量子糾纏。實驗驗證，具有糾纏態(tài)的兩個粒子無論相距多遠，只要一個發(fā)生變化，另外一個也會瞬間發(fā)生變化。其原因目前還沒搞清楚。
量子糾纏示意圖
量子通信是利用量子的糾纏效應進行信息傳遞的新型通信方式。它主要基于量子糾纏態(tài)的理論，使用量子隱形傳態(tài)的方式實現(xiàn)信息傳遞。
傳統(tǒng)的通信加密和傳輸安全都是依賴于復雜的算法，但是只要對方的計算能力足夠強大，再復雜的保密算法都能夠被破解，所以都不能夠做到絕對安全。量子通信的安全性基于量子物理基本原理，作為光的最小顆粒，單個光量子在傳輸信息的時候具有不可分割和不可被精確的復制兩大特性，從而能保證信息的不可竊聽和不可破解，因此，哪怕計算能力再強也是破解不了的。
量子通信是將信息編碼加載到單個光量子疊加態(tài)的偏振方向上。在量子保密通信過程中，發(fā)送方和接收方采用單個光量子的狀態(tài)作為信息載體來建立密鑰。由于單個光量子是光能量的最小組成單元，不能被再分割，所以在單個光量子發(fā)射的情況下，竊聽者無法將單個光量子分割成兩部分，讓其中一部分繼續(xù)傳送，而對另一部分進行狀態(tài)測量獲取密鑰信息。又由于不可被精確的復制，所以竊聽者無論是對單個光量子狀態(tài)進行測量或是試圖復制之后再測量，都會對光量子的狀態(tài)產(chǎn)生擾動，從而使竊聽行為暴露。
量子通信永遠不會泄密的原因之一是，量子加密的密鑰是隨機的，即使被竊取者截獲，也無法得到正確的密鑰，因此無法破解信息;其二，分別在通信雙方手中具有糾纏態(tài)的2個粒子，其中1個粒子的量子態(tài)發(fā)生變化，另1個粒子的量子態(tài)就會隨之立刻變化，根據(jù)量子理論，任何干擾都會立刻改變量子態(tài)，使竊取者得到的信息遭到破壞，并非原有信息。
與成熟的傳統(tǒng)通信技術相比，量子通信具有以下主要優(yōu)點：
一是保密性強。二是隱蔽性高，量子通信是一種完全無“電磁”的通信技術，現(xiàn)有的無線電探測系統(tǒng)無法對其進行探測。三是應用性廣，量子既可在太空中進行通信，又可以在海底等惡劣條件下通信，還可以在光纖等介質(zhì)中進行信息“傳遞”，可以應用到各種應用場景。四是時效性高，由于量子通信時延為零，能極大地提高通信速度。
近年來，我國科學家潘建偉院士帶領的團隊在自由空間量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗方面不斷取得國際領先的突破性成果，為基于衛(wèi)星的廣域量子通信和量子力學基礎原理檢驗奠定了堅實基礎。
“量子科學實驗衛(wèi)星”首席科學家潘建偉
雖然在光纖中可以實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡，但由于光量子易被光纖吸收，存在固有的光量子損耗，與環(huán)境的耦合也會使量子糾纏品質(zhì)下降，導致信號在光纖傳送的過程中越來越弱，因此僅僅利用光纖難以實現(xiàn)遠距離的量子通信。另外，近地面自由空間通道會受地面障礙物、地表曲率、氣象條件的影響，光量子傳輸難以在地面自由空間中向遠距離拓展。
為此，發(fā)展量子衛(wèi)星通信是遠距離光量子傳輸?shù)谋赜芍?。它能克服地表曲率、沒有障礙物的阻礙;光量子在光纖中的損耗遠高于自由空間的損耗，大氣對光量子的吸收和散射遠小于光纖，并能保持光量子極化糾纏品質(zhì)。另外,受到地面條件的限制，很多地方無法鋪設量子通信的專用光纖。
“量子科學實驗衛(wèi)星”示意圖
我國在今日凌晨發(fā)射了全球首顆“量子科學實驗衛(wèi)星”。這是國際上首次實現(xiàn)空間大尺度的量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗，推進人類對大尺度范圍量子力學規(guī)律的認識，并帶動我國量子物理整體水平大幅提升。
從斯諾登泄密事件，到近期美國民主黨全國委員會郵件泄露，通信信息安全又受到全球關注。遺憾的是，隨著技術的發(fā)展，經(jīng)典通信的加密，從構建原理上，被破譯風險與日俱增。然而，我國正在建設的天地一體化量子保密通信網(wǎng)絡，將構建起一個信息絕對安全的新時代……
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