本文格式為Word版，下載可任意編輯——“墨子號”夜空中最會保密的“星”

8月16日凌晨，伴隨著世界首顆量子科學測驗衛星在酒泉圓滿放射告成，中國人的“飛天”理想再次綻放，此后，浩瀚星空里也多了一份屬于中國和世界的“量子”牽掛。

2022年8月16日，世界首顆量子科學測驗衛星告成放射（新華社金立旺攝）8月16日1時40分，備受矚目的以“墨子號”命名的全球首顆量子科學測驗衛星在酒泉告成放射升空。“墨子號”量子衛星成為浩瀚夜空中最亮的“星”，開啟為期兩年的太空科學旅程。

星地高速量子密鑰分發、廣域量子通信網絡、星地量子糾纏分發以及地星量子隱形傳態等多項科學測驗任務是“墨子號”量子衛星的主要任務。業內人士指出，此次放射任務的圓滿告成，將使我國在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，構建天地一體化的量子保密通信與科學測驗體系。有媒體稱，在這場“特殊的太空競賽”中，中國“邁出了一大步”。

科學之路任重道遠，量子世界迷霧重重，“第一顆量子衛星”的頭銜來之不易。從最初的研制到放射，量子衛星承載了太多關注的目光與期許。那么，這顆舉世矚目的“新星”畢竟有多牛？技術實現難度又有多高？

信息安好的“終極武器”

量子科學對絕大多數人來說特別高冷。但當它與信息技術相連，就與我們每個人息息相關。當今社會，信息的海量傳播背后也充塞著信息泄露的風險。而量子科學那么為信息安好供給了“終極武器”。

在物理王國里，量子理論是一個“百歲的幽靈”，愛因斯坦也曾被它的“詭異”所困擾。在量子世界中，一個物體可以同時處在多個位置，一只貓可以處在“死”和“活”的疊加狀態上;全體物體都具有“波粒二象性”，既是粒子也是波;兩個處于“糾纏態”的粒子，即使相距遙遠也具有“心電感應”，一個發生變化，另一個會瞬時發生相應變更……

正是由于量子具有這些不同于宏觀物理世界的奇異特性，才構成了量子通信安好的基石。在量子保密通信中，由于量子的不成分割、不成克隆和測不準的特性，所以一旦存在竊聽就必然會被發送者覺察并回避。

“傳統的信息安好都憑借于繁雜的算法，只要計算才能足夠強大，再繁雜的保密算法都能被破解。量子通信能做到十足安好，是由量子自身的特性所抉擇的，計算才能再強也破解不了，因此它是革命性的，可從根本上、永久性解決信息安好問題。”量子科學測驗衛星首席科學家潘建偉院士說。

潘建偉形象地比喻，量子通信的根本特征就是利用微光世界的最小單元，譬如15瓦的燈泡，每秒都會放射一些能量，假設用放大鏡來看它是由小顆粒組成，約莫每秒鐘可以釋放百億個小顆粒。假設在量子通信中將這種小顆粒用來做信號，就不能被分割成半個小顆粒，就像水分子一樣，不能分成1/2個水分子。

量子保密通信能從三個方面保障信息安好。第一，發送者和接收者之間的信息交互是安好的，不會被竊聽或盜取。其次，“主仆”身份能自動確認，只有“仆人”才能使喚“仆人”，而其他人無法指揮“仆人”。第三，一旦發送者和接收者之間的傳遞口令被惡意篡改，使用者會馬上知曉，從而重新發送和接收指令。

“四種武器”挑戰四大測驗任務

8月17日，中科院遙感與數字地球研究所所屬中國遙感衛星地面站密云站，在其次十三圈次告成跟蹤、接收到了量子衛星“墨子號”的首軌數據。“墨子號”首軌任務時長約7分鐘，接收到的數據量約為202MB，閱歷證，衛星數據質量良好。

據悉，“墨子號”量子衛星上搭載了自主研發的“四種武器”：量子密鑰通信機、量子糾纏放射機、量子糾纏源和量子試驗操縱與處理機。同時，在地面創辦了科學應用系統，包括1個中心——合肥量子科學測驗中心;4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站;1個平臺——阿里量子隱形傳態測驗平臺。

這顆量子衛星的壽命為兩年，將完成四大任務：星地高速量子密鑰分發測驗、廣域量子通信網絡測驗、星地量子糾纏分發測驗和地星量子隱形傳態測驗。

潘建偉介紹，測驗大致分為三類：第一類是舉行衛星和地面之間的量子密鑰分發，實現天地之間的安好通信;其次類相當于把量子測驗室搬到太空，在空間尺度檢驗量子理論;第三類是實現衛星和地面千公里量級的量子態隱形傳輸。

但要完成“作業”并不輕松。目前，國際上還沒有一個國家將量子科學測驗送入空間，量子衛星的研制沒有任何閱歷可循，過程彌漫了困難和挑戰。

▲科研人員模擬地面望遠鏡向量子衛星放射信標光（新華社劉坤攝）▲在酒泉衛星放射中心，量子科學測驗衛星在與運載火箭適配器對接（圖/新華社）天地一體化連通：

從太空向地面存錢罐扔硬幣

在量子通信中，最大的難點在于如何實現天地一體化的量子聯通。這就好比在太空往地面的一個存錢罐里扔硬幣，需要切實地將硬幣投擲于儲蓄罐的狹小入口。假設展現一點偏差，信息的傳遞便會功虧一簣。

“量子的編碼就像計算機編碼0101一樣，有正負、垂直、水對等不同狀態，要把量子的偏振方向檢測出來，才能變成密碼。”量子科學測驗衛星常務副總設計師、衛星總指揮王建宇介紹，量子里面有兩組狀態，一組是正交的，一組是傾斜45度的，所以，一共有四個不同的偏正狀態。

不僅如此，地面上的“存錢罐”（接收裝置）和天空中的“投擲者”（量子衛星）也擔心分，它們都在不停地旋轉運動。

“這就是瞄準和檢測偏正的最大難度所在，我們要在雙方都處于運動狀態的處境下完成信息傳遞。”王建宇強調，稍微對不上都不行，假設這樣，地面上收到的就是誤碼。

據王建宇介紹，一旦誤碼率高于3.5%，信息傳輸就沒有意義。“3.5%是個底線，通常我們會把誤碼率操縱在1%至2%之間。”

探測器靈敏度：

在地球上看到月球的火柴光

假設說從太空向地面存錢罐扔硬幣已經讓人咋舌，那接下來的技術那么更讓人感嘆。

量子衛星采用的是單光子探測器，目的是實現對每一個光子的抓獲。這是一個什么概念？

“一個60瓦的燈泡每秒放射的光子數大約是1021，而一根火柴的最大光亮大約是3瓦至5瓦。”王建宇說，量子衛星探測器靈敏度相當于在月球上點根火柴，我們在地球上用望遠鏡可以看到它的亮光。

假設考慮到火柴點燃后光的分散效應，其觀測難度可想而知。“探測器的靈敏度務必達成這種程度，才能捕獲來自太空中的一顆顆光子。否那么，天上的量子衛星就沒有存在的意義了。”王建宇說。

時間同步設置：

一秒鐘給一億個光子排排隊

在太空中，量子衛星每秒鐘大約向地面放射一億個光子，需要地面接收裝置對全體光子舉行接收。然而，這個接收過程并非來者不拒，而是要講究先來后到。

“我們務必知道每個光子是第幾個發出來，信息傳遞要求發送端和接收端能對得上，要有一個完整的序列。”王建宇說。

將光子們一一對接的手段就是時間同步。“我們現在的接收頻率能做到一個納秒，也就是在一秒鐘之內，把一億個光子全都排列好。”王建宇介紹。

為何取名為“墨子”

對于好多人來說，量子科學分外神秘，而世界首顆量子科學測驗衛星命名為“墨子號”也讓好多人迷惑不解——墨子不是先秦諸子百家中墨家的創始人嗎，他跟量子有什么關系？

“墨子號”之得名，是為了紀念墨子在早期物理光學方面的成就，他最早提出過光線沿直線傳播的觀點，舉行了小孔成像測驗。“關于這顆衛星的命名，我們考慮了好久。”潘建偉說，最終命名為“墨子號”，緣起于已故出名教導家、中國科學技術大學教授錢臨照。

錢臨照作為老一輩光學、科技史研究者，早年對墨家經典著作《墨經》有過深入研究，他對《墨經》的研究察覺被英國學者李約瑟得知，后者對此感嘆不已。錢臨照察覺《墨經》中有不少與現代科學學識相通的記載，譬如墨子在《墨經》中提出的“光學八條”。

“墨家規律是全球三大古老規律體系之一，而規律體系是科學的根基。”潘建偉說，墨子在兩千多年前就察覺了光線沿直線傳播，并設計了小孔成像測驗，奠定了光通信、量子通信的根基。

墨子的付出還遠不止于此，用一代宗師、中國思想史研究專家楊向奎先生的話來說：“墨子在自然學上的成就，絕不低于古希臘的科學家和哲學家，甚至高于他們。他個人的成就就等于整個希臘。”

“就像國外有伽利略衛星、開普勒望遠鏡一樣，以中國古代宏偉科學先賢的名字來命名全球首顆量子衛星，將提升我國的文化自信。”潘建偉說。

“量子星群”引領量子互聯網時代

據專家介紹，量子衛星放射后，天地一體化量子科學測驗系統將投入正式運行，而“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網工程預計今年下半年交付。

▲在酒泉衛星放射中心，星罩組合體在轉運至放射塔架（圖/中科院微小衛星創新研究院）“大規模推廣量子通信應用后，將極大提高人們信息傳輸的私密性和安好性。”潘建偉說，建好“量子互聯網”后，人們不用再惦記任何信息泄露，從而制止惡意攻擊和欺詐行為。

信息安好從根本上需要解決的就是傳輸內容不被別人知道、保證接收者是和發送者對話，以及信息不被篡改。潘建偉說，僅僅放射一顆衛星是不夠的，只有形成星座才能建構起網絡，而且需要地面配置相應根基設施，確保網絡聯接到千家萬戶。

“譬如，將來可以在手機中植入量子加密芯片，用來接收并存儲密鑰。”