2016年8月，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，量子衛(wèi)星“墨子號”星罩組合體吊裝，與運(yùn)載火箭對接。新華社發(fā)

　　科研人員模擬地面望遠(yuǎn)鏡向量子衛(wèi)星發(fā)射信標(biāo)光。新華社發(fā)

　　美國量子信息與計(jì)算機(jī)科學(xué)聯(lián)合中心的研究人員在討論量子信息技術(shù)。資料圖片

　　大西北網(wǎng)訊  隨著2016年11月中旬“墨子號”量子衛(wèi)星順利完成在軌測試，正式開始科學(xué)實(shí)驗(yàn)，2016年底量子通信骨干網(wǎng)“京滬干線”全線貫通，我國將構(gòu)建起全球首個天地一體化的實(shí)用性廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)下，圍繞量子科技領(lǐng)域的研發(fā)，美國、歐盟、日本等都在激烈拼奪，爭相搶占創(chuàng)新制高點(diǎn)。一旦取得重大突破，相關(guān)國家及整個世界的經(jīng)濟(jì)、政治、安全格局都將為之改觀

　　構(gòu)建天地一體化科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系

　　全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”的成功發(fā)射，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科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。

　　“墨子號”在升空入軌后的未來兩年里，衛(wèi)星和地面站將共同執(zhí)行三大科學(xué)任務(wù)：星地高速量子密鑰分發(fā)、星地量子糾纏分發(fā)、星地量子隱形傳態(tài)。其中，星地高速量子密鑰分發(fā)，即在高精度捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的輔助下，建立起衛(wèi)星與地面之間超遠(yuǎn)距離的量子通道，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)，開展無條件、安全的星地量子保密通信實(shí)驗(yàn)，量子密鑰初始碼產(chǎn)生率可達(dá)到約10Kbps，這就為建立全球范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

　　通過發(fā)射衛(wèi)星來建立天地之間的量子通信網(wǎng)絡(luò)，根本原因是由于地面信號傳輸多以光纖為媒介，傳輸過程中信號損失嚴(yán)重，光纖傳輸?shù)牧孔油ㄐ判盘栐?00公里以后就幾乎被吸收殆盡。若想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信傳輸，就必須在地面設(shè)立多個信號中繼站。

　　而光或量子在穿透地球上空大氣層的過程中其能量損失僅為20%，也就是說，天地之間雖然遠(yuǎn)隔成千上萬公里，光或量子在其間傳輸損失卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在地面光纖網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膿p耗。這樣，利用太空中的量子衛(wèi)星作為地面網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn)站，并設(shè)法將地面多個城市中所建立的城際量子通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，由此便可極大地提高量子通信的效率。

　　為了讓“墨子號”升空入軌后順利實(shí)施科研任務(wù)，人們早已在地面上建設(shè)了量子通信地面站，除了位于河北興隆、青海德令哈等地的地面站外，還有位于西藏阿里的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站，它們與量子衛(wèi)星一起共同構(gòu)成了全匹配的天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。再加上設(shè)在奧地利維也納和格拉茨的地面站等，量子衛(wèi)星及在地面建設(shè)的多個地面觀測站，就儼然一體地協(xié)同組成了一張前所未有可整個覆蓋地面和空間的無比巨大的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。

　　2016年底，全長約2000公里的廣域量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)工程“京滬干線”交付使用，這一大尺度量子通信技術(shù)驗(yàn)證應(yīng)用和示范平臺既連接北京、上海，又貫穿濟(jì)南、合肥等地，高安全、可拓展、軍民融合，將成為全球已開通的最長量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)，為政府機(jī)關(guān)、金融機(jī)構(gòu)等提供高安全通信服務(wù)。2016年11月，我國第二條量子保密通信干線“武合線”（武漢至合肥）正式簽約開建。

　　“墨子號”量子衛(wèi)星與“京滬干線”的結(jié)合，初步構(gòu)建起中國天地一體化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，更加有力地推動量子通信技術(shù)深入應(yīng)用，從而快速形成對國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有強(qiáng)勁拉動作用的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

　　此外，“墨子號”還承擔(dān)著對量子力學(xué)本身的基本原理進(jìn)行檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)職能。量子糾纏態(tài)是量子力學(xué)中的一種經(jīng)典現(xiàn)象，即在多粒子量子系統(tǒng)中，一對具有量子糾纏態(tài)的粒子，哪怕相隔極遠(yuǎn)，當(dāng)其中一個出現(xiàn)狀態(tài)改變時，另一個的狀態(tài)也會立刻發(fā)生相應(yīng)改變。這種現(xiàn)象通常又被稱作“量子非定域性”，曾讓愛因斯坦反復(fù)質(zhì)疑，并引發(fā)了長期的爭論和持續(xù)至今的各種檢驗(yàn)。

　　有科學(xué)家在地球表面相距100公里的兩地間成功地驗(yàn)證了量子非定域性，但仍未做到嚴(yán)格無漏洞的終極檢驗(yàn)。通過量子衛(wèi)星直接把這類實(shí)驗(yàn)帶到外層空間去做，將在世界上首次進(jìn)行距離達(dá)千公里量級的量子非定域性實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，這對人類加深了解和認(rèn)識量子力學(xué)的基礎(chǔ)理論、探索大自然更深奧秘意義重大。

　　量子衛(wèi)星大大增強(qiáng)信息防御能力

　　量子衛(wèi)星所承擔(dān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及領(lǐng)域廣泛，具備遠(yuǎn)大的開發(fā)應(yīng)用前景，勢必成為未來技術(shù)創(chuàng)新的又一重要源泉。“墨子號”的成功研制與發(fā)射，使我國進(jìn)一步擴(kuò)大了在量子通信領(lǐng)域的國際領(lǐng)先優(yōu)勢，繼而有利于實(shí)現(xiàn)國家信息安全和信息技術(shù)水平的跨越式提升。量子衛(wèi)星的發(fā)射是出于科學(xué)目的，客觀地看，也可用于解決一些對中國信息主權(quán)的攻擊和侵犯，減少甚至避免頻繁的外來網(wǎng)絡(luò)攻擊，顯著增強(qiáng)我國的信息防御能力。

　　量子衛(wèi)星還將大力推動“量子互聯(lián)網(wǎng)”（包含有保密通信和大大超過傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的分散計(jì)算能力）研究，我國計(jì)劃在2030年前建立的量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，無疑將升級地面量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。如“天河二號”等性能最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)需100年才能處理的任務(wù)，一臺量子計(jì)算機(jī)只需0.01秒就能完成。

　　當(dāng)然我們?nèi)杂写罅抗ぷ饕?，比如，需再繼續(xù)發(fā)射將近20顆量子衛(wèi)星、對太空和地面量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造、制定各種通信標(biāo)準(zhǔn)等，只有形成全球性的一個個星座體系，才能全面建構(gòu)起遍布世界各國的網(wǎng)絡(luò)，也只有通過地面相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的重重配置，才能確保量子網(wǎng)絡(luò)可分步按序連接到每一行業(yè)乃至千家萬戶。量子衛(wèi)星的整個工程既需要量子傳感、量子通信和量子計(jì)算等多方面的技術(shù)與手段來做保證，而且還必須達(dá)到捕獲和跟蹤情報(bào)、事件乃至現(xiàn)象的高精度以及與時間的精準(zhǔn)同步，所有這些，都會涉及高精尖多項(xiàng)技術(shù)的集成以及最前沿多門學(xué)科的交叉。

　　這種待建的量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具備高技術(shù)新型手段，可用于空間情報(bào)、監(jiān)視、偵察平臺，戰(zhàn)術(shù)預(yù)警和攻擊評估；指揮、控制與通信系統(tǒng)；導(dǎo)航、定位與環(huán)境監(jiān)測等。如果跨入到量子衛(wèi)星通信階段，不管民用、還是軍事，其應(yīng)用領(lǐng)域都很廣闊，既會讓傳統(tǒng)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)生徹底變更，并會推動新興信息產(chǎn)業(yè)包括計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)、衛(wèi)星通信業(yè)、數(shù)據(jù)庫業(yè)、音像視聽業(yè)等達(dá)到愈加效能高、速度快、產(chǎn)出大和安全絕對保障的結(jié)果。

　　對眾多產(chǎn)業(yè)具有全面拉動作用

　　量子通信不僅是一種全新的加密通信手段，并將成為新一代信息網(wǎng)絡(luò)安全解決方案的關(guān)鍵技術(shù)和日益普遍的電子服務(wù)安全基石，成為保障未來信息社會的重要基礎(chǔ)之一。

　　在容量大、質(zhì)量好、覆蓋面積廣、快速靈敏、安全可靠等方面，量子信息技術(shù)正表現(xiàn)出比電子信息更加優(yōu)越的特點(diǎn)。對未來“制天權(quán)”和“制信息權(quán)”的主動、牢靠掌握，不僅是一國政治、外交、軍事的急需，也是一國經(jīng)濟(jì)必不可少的重要組成部分。

　　量子信息技術(shù)對未來眾多產(chǎn)業(yè)具有輻射和全面拉動作用。根據(jù)目前已掌握的量子技術(shù)看，量子信息技術(shù)不僅在提高運(yùn)算速度和確保信息安全上突破傳統(tǒng)信息技術(shù)的極限，而且還能實(shí)現(xiàn)超高精度的測量，使信息技術(shù)的先進(jìn)性達(dá)到新水平；通過量子模擬手段，人們將可更深入認(rèn)識世界復(fù)雜體系的物理機(jī)理，積極開展微觀操控物質(zhì)特性的活動，發(fā)現(xiàn)全新的物質(zhì)形態(tài)；經(jīng)大量研究證實(shí)，人類的基本生命過程及認(rèn)知過程很可能同量子相干和量子糾纏直接相關(guān)；在量子尺度上進(jìn)行能量調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)能量愈加高效轉(zhuǎn)換，確保人類社會日益增加的能源需求。

　　量子通信對整個信息技術(shù)和其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的驅(qū)導(dǎo)、拉動貢獻(xiàn)，關(guān)鍵在于該種通信能具有絕對安全、超大信道容量、超高通信速率、可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)缺绢I(lǐng)。因?yàn)榱孔用荑€分發(fā)過程中，每個信息都依靠單個光子傳送，使之具備不可分割、不可克隆的特性，如果在傳輸過程中一旦受到干擾就會改變狀態(tài)，接受方便可以發(fā)現(xiàn)，從而充分保證傳輸內(nèi)容絕密。量子通信遠(yuǎn)距離傳輸，通過遠(yuǎn)距離量子態(tài)隱形傳輸和糾纏分發(fā)來實(shí)現(xiàn)。如今，量子態(tài)隱形傳輸和糾纏分發(fā)已通過量子衛(wèi)星與地面間的量子中繼器而達(dá)到真正實(shí)用化。

　　鑒于在自由空間光子損耗小，只要結(jié)合衛(wèi)星幫助，將十分有可能在全球尺度上實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子通信和信息技術(shù)多樣開發(fā)局面。以上各種技術(shù)既可以隨時用來跟蹤衛(wèi)星和地面上的移動目標(biāo)，往后亦能直接利用到以衛(wèi)星為對象的跟瞄、通信和信息技術(shù)的其他開發(fā)項(xiàng)目。量子信息技術(shù)同空間技術(shù)產(chǎn)業(yè)、新能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)、海洋技術(shù)產(chǎn)業(yè)等的貫通與滲透，前景廣闊。

　　上世紀(jì)90年代起，全球范圍的量子信息、量子通信研發(fā)就接連取得了突破性成果。主要大國都在爭前恐后地將量子通信技術(shù)當(dāng)作本國最優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略性科技來對待，圍繞量子科技進(jìn)行激烈拼奪、爭相搶占該方面創(chuàng)新的制高點(diǎn)。近些年，美國和俄羅斯都部署了大型量子加密計(jì)算發(fā)展計(jì)劃；奧地利、德國、意大利等國，也都紛紛要求同中國一起協(xié)作開發(fā)量子科技。只要這些主導(dǎo)領(lǐng)域一旦取得重大突破，相關(guān)國家及整個世界的經(jīng)濟(jì)、政治、安全格局必將會為之再次改觀。

　?。ㄗ髡邌挝环謩e為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國際發(fā)展研究所、國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心）