1900年普朗克提出“量子”這一重要概念，量子論為我們打開(kāi)了新世界的大門(mén)。但是，普朗克的能量量子化觀(guān)點(diǎn)與經(jīng)典物理學(xué)中的“能量連續性原理”格格不入，最初物理學(xué)界對它的反應很冷淡，認為普朗克公式“純粹是一些不相關(guān)量的偶然巧合”，更不承認能量量子化觀(guān)點(diǎn)。普朗克本人也只是把能量量子化的觀(guān)點(diǎn)局限于電諧振子向外輻射能量和吸收能量的過(guò)程中。1905年，針對光電效應實(shí)驗與經(jīng)典理論的矛盾，愛(ài)因斯坦把量子概念引進(jìn)光的傳播過(guò)程，提出了光量子（光子）假說(shuō)，并在固體比熱問(wèn)題上成功地運用了能量子概念，推動(dòng)了量子力學(xué)的發(fā)展。
過(guò)去50多年對量子糾纏的實(shí)證，恰恰就是量子通信的起源。量子通信是利用量子糾纏效應進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通信方式，是量子論和信息論相結合的新的研究領(lǐng)域。廣義的量子通信，根據傳輸的信息是經(jīng)典比特或量子比特，可分為量子保密通信和量子隱形傳態(tài)，前者用于量子密鑰分發(fā)（簡(jiǎn)稱(chēng)QKD），后者則可用于量子隱形傳態(tài)和量子糾纏的分發(fā)。目前業(yè)內所說(shuō)的量子通信，指的是狹義的量子通信技術(shù)，一般稱(chēng)為量子保密通信，即用于量子密鑰分發(fā)。
量子通信在軍事、國防、金融等信息安全領(lǐng)域有著(zhù)重大的應用價(jià)值和前景，不僅可用于軍事、國防等領(lǐng)域的國家級保密通信，還可用于涉及秘密數據和票據的電信、證券、保險、銀行、工商、地稅、財政以及企業(yè)云存儲、數據中心等領(lǐng)域和部門(mén)。
2016年8月16日凌晨1點(diǎn)40分，在酒泉衛星發(fā)射中心，我國成功發(fā)射了全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗衛星“墨子號”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“量子衛星”）。一時(shí)間各路媒體爭相報道，在各大網(wǎng)站、論壇、自媒體平臺等引起了熱烈的討論甚至爭議。真正懂得量子通信科學(xué)原理的人畢竟不多，一些腦洞大開(kāi)的解讀諸如開(kāi)啟“任意門(mén)”、“瞬間移動(dòng)”等愈發(fā)讓人覺(jué)得這事很玄乎。當然，更多的一種反應是“你們說(shuō)的每一個(gè)字我都認識，但是你們說(shuō)的東西我一點(diǎn)都聽(tīng)不懂”。
相信不少外行如我，看到“量子衛星”、“量子通信”這樣的詞匯就不明覺(jué)厲、肅然起敬。追本溯源，量子通信也的確算得上真“高冷”。接下來(lái)，讓我們暫時(shí)將視線(xiàn)轉回到100多年前，從頭開(kāi)始了解一下“量子通信”這事是怎么發(fā)生的。
“一朵鳥(niǎo)云”引發(fā)的故事
提到“量子通信”，不得不從“量子”說(shuō)起。而“量子”這個(gè)概念的提出，與經(jīng)典物理學(xué)上空的“兩朵烏云”中的其中一朵有關(guān)。
19世紀是經(jīng)典物理學(xué)的崢嶸歲月，構建了力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等科學(xué)理論的大廈。到19世紀末期，物理學(xué)的發(fā)展可以說(shuō)已經(jīng)相當成熟。著(zhù)名物理學(xué)家開(kāi)爾文在1900年送別舊世紀、展望新未來(lái)的演講中提到：“19世紀已將物理學(xué)大廈全部建成，今后物理學(xué)家的任務(wù)就是修飾、完美這座大廈了。”
然而，此時(shí)在物理學(xué)的萬(wàn)里晴空中飄來(lái)了兩朵烏云：第一朵與邁克爾遜和莫雷的實(shí)驗有關(guān)，該實(shí)驗證明絕對靜止的空間是不存在的；第二朵與黑體輻射有關(guān)，即高溫物體輻射形成的光譜分析現象。這兩個(gè)無(wú)法用經(jīng)典物理學(xué)解釋的新發(fā)現，成為了20世紀物理學(xué)革命的導火線(xiàn)。20世紀初，對這兩朵“烏云”的研究很快導致了物理學(xué)的一場(chǎng)大變革——從第一朵烏云中誕生了相對論，從第二朵烏云中誕生的正是量子論。
為了解決黑體輻射問(wèn)題，馬克斯?普朗克提出了“量子”的概念——“能量子”（量子）是能量的最小單位，他假設黑體輻射中的輻射能量是不連續的，只能取能量基本單位的整數倍（后來(lái)的研究表明，不但能量表現出這種不連續的分離化性質(zhì)，其他物理量諸如角動(dòng)量、自旋、電荷等也都表現出這種不連續的量子化現象）。在1900年12月14日的德國物理學(xué)學(xué)會(huì )會(huì )議中，他第一次發(fā)表了能量量子化數值、一個(gè)分子摩爾的數值及基本電荷等。其數值比以前更準確，提出的理論也成功解決了黑體輻射的問(wèn)題，這也標志著(zhù)量子論的誕生。
如果說(shuō)相對論從根本上改變了人們的時(shí)空觀(guān)，那么，量子論的創(chuàng )立可以說(shuō)從此使我們認識世界的角度從宏觀(guān)層面進(jìn)入微觀(guān)系統。
一個(gè)群星璀璨的偉大時(shí)代
量子力學(xué)創(chuàng )建于20世紀上半葉，一個(gè)群星璀璨的偉大時(shí)代。
從1900年普朗克提出“量子”這一重要概念開(kāi)始，量子論為我們打開(kāi)了新世界的大門(mén)。但是，普朗克的能量量子化觀(guān)點(diǎn)與經(jīng)典物理學(xué)中的“能量連續性原理”格格不入，最初物理學(xué)界對它的反應很冷淡，認為普朗克公式“純粹是一些不相關(guān)量的偶然巧合”，更不承認能量量子化觀(guān)點(diǎn)。普朗克本人也只是把能量量子化的觀(guān)點(diǎn)局限于電諧振子向外輻射能量和吸收能量的過(guò)程中。
1905年，針對光電效應實(shí)驗與經(jīng)典理論的矛盾，愛(ài)因斯坦把量子概念引進(jìn)光的傳播過(guò)程，提出了光量子（光子）假說(shuō)，并在固體比熱問(wèn)題上成功地運用了能量子概念，推動(dòng)了量子力學(xué)的發(fā)展。他也因光電效應研究而獲得1921年的諾貝爾物理學(xué)獎。
1913年，玻爾在盧瑟福原有核原子模型的基礎上運用量子化概念，建立起原子的量子理論，對氫光譜作出了滿(mǎn)意的解釋?zhuān)沽孔诱撚兴M(jìn)展。隨后，玻爾、索末菲和其他物理學(xué)家為發(fā)展量子理論下了很大工夫。
1923年，德布羅意提出了物質(zhì)波這一概念，即一切物質(zhì)粒子均具備波粒二象性，量子論發(fā)展達到一個(gè)新的高度。
1925年至1926年，薛定諤基于量子性是微觀(guān)體系波動(dòng)性的反映這一認識，成功地確立了電子的波動(dòng)方程，為量子理論找到了一個(gè)基本公式，并由此創(chuàng )建了波動(dòng)力學(xué)。與此同時(shí)，海森堡于1925年創(chuàng )立了矩陣力學(xué)，并提出不確定性原理及矩陣理論。
1928年，狄拉克完成了矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)之間的數學(xué)等價(jià)證明，對量子力學(xué)理論進(jìn)行了系統的總結，并將兩大理論體系——相對論和量子力學(xué)成功地結合起來(lái)，著(zhù)名的狄拉克方程就是狹義相對論性的量子力學(xué)波動(dòng)方程。
1947年，蘭姆移位實(shí)驗，直接促使了量子電動(dòng)力學(xué)的誕生。1948年至1949年，施溫格、費曼和朝永振一郎用重正化概念、費曼圖等發(fā)展了量子電動(dòng)力學(xué)。可以說(shuō)，量子力學(xué)是普朗克、愛(ài)因斯坦、德布羅意、玻爾、海森堡、薛定諤、狄拉克、波恩等偉大的物理學(xué)家們集體智慧的結晶。
關(guān)于“量子糾纏”的糾纏
后期致力于“統一場(chǎng)論”的愛(ài)因斯坦對“充滿(mǎn)不確定性”的量子力學(xué)有所不滿(mǎn)，愛(ài)因斯坦也成了質(zhì)疑他自己曾經(jīng)推動(dòng)過(guò)的量子力學(xué)的帶頭人。在第五、六次索爾維會(huì )議中，愛(ài)因斯坦分別提出兩個(gè)思想實(shí)驗，試圖凸顯不確定性原理為何不成立。假設制備一對屬于量子力學(xué)中的“糾纏態(tài)”的粒子A和粒子B（“EPR對”），都處于一半概率左旋、一半概率右旋的量子疊加狀態(tài)，并且兩者的旋轉方向始終相反；但在用儀器測量之前并不知道某個(gè)時(shí)刻哪個(gè)是左旋，哪個(gè)是右旋。粒子A和粒子B在空間上離得很遠后，測量粒子A，這時(shí)B是不可能知道A發(fā)生了變化因而發(fā)生相應變化的，除非見(jiàn)鬼了！
而玻爾的一個(gè)推論（量子糾纏）認為，對粒子A進(jìn)行測量，A會(huì )立刻由量子疊加態(tài)坍縮為確定態(tài)，表現出左旋或右旋狀態(tài)的一種；而此時(shí)，距此很遠的B粒子也會(huì )立刻坍縮成確定態(tài)。盡管兩個(gè)粒子距離很遠，但它們狀態(tài)的改變是完全同時(shí)的，即使是光速也達不到這么快。
愛(ài)因斯坦認為信息傳遞的速度不可能超過(guò)光速，因為這違反相對論。1935年，為論證量子力學(xué)的不完備性，愛(ài)因斯坦、波多爾斯基和羅森提出了EPR悖論（Einstein-Podolsky-Rosenparadox）。他指出“量子糾纏”是量子力學(xué)的致命弱點(diǎn)，這種“鬼魅般的超距作用”（spooky action at a distance）太荒誕了。薛定諤也認為“量子力學(xué)與相對論不相符合”，為了進(jìn)一步驗證量子力學(xué)的不完備性，他將量子力學(xué)應用到宏觀(guān)效應中，從而構思了著(zhù)名的“薛定諤貓思想實(shí)驗”。
1953年，英國物理學(xué)家玻姆同樣認為以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派的詮釋是不完備的，需要附加的參量來(lái)描述，提出隱變量理論。1965年，北愛(ài)爾蘭物理學(xué)家貝爾在此基礎上提出貝爾不等式，為隱變量理論提供了實(shí)驗驗證方法。
從20世紀70年代至今，對貝爾不等式的驗證給出的大多數結果是否定的。但是，實(shí)驗對貝爾不等式結論的一次次否定，是不是就證明了愛(ài)因斯坦“量子力學(xué)的不完備性”觀(guān)點(diǎn)是錯的呢？這值得商榷。在量子力學(xué)中，測量的本質(zhì)是什么，還是個(gè)未解之謎。無(wú)論在理論上還是實(shí)踐上，關(guān)于“量子糾纏”還沒(méi)有形成一個(gè)共識，可以說(shuō)支持派和反對派一直在“糾纏”著(zhù)。
量子通信：從理論走向實(shí)踐
過(guò)去50多年對量子糾纏的實(shí)證，恰恰就是量子通信的起源。量子通信是利用量子糾纏效應進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通信方式，是量子論和信息論相結合的新的研究領(lǐng)域。廣義的量子通信，根據傳輸的信息是經(jīng)典比特或量子比特，可分為量子保密通信和量子隱形傳態(tài)，前者用于量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution，簡(jiǎn)稱(chēng)QKD），后者則可用于量子隱形傳態(tài)和量子糾纏的分發(fā)。目前業(yè)內所說(shuō)的量子通信，指的是狹義的量子通信技術(shù)，一般稱(chēng)為量子保密通信，即用于量子密鑰分發(fā)。
1.量子密鑰分發(fā)
量子密鑰分發(fā)是利用量子糾纏的特性去實(shí)現密鑰的安全分發(fā)，目前主要是在光纖或者自由空間利用光子的偏振或者相位特性來(lái)實(shí)現，同時(shí)還需要傳統互聯(lián)網(wǎng)信道完成數據傳輸。發(fā)送方或接收方，通過(guò)一定的手段（如激光器）制備出兩個(gè)處于糾纏態(tài)的光子（EPR對）。將其中的一個(gè)，通過(guò)光纖發(fā)送至另一方，然后雙方對光子進(jìn)行測量。根據量子糾纏特性，兩個(gè)光子一個(gè)左旋一個(gè)右旋，這樣雙方就可以得到互補的二進(jìn)制0和1。至于哪一方得到0、哪一方得到1并不影響密鑰分發(fā)，因為只需要雙方的密鑰對應即可。在這個(gè)過(guò)程中，并沒(méi)有真正的實(shí)現一方將任意信息發(fā)送給另一方，但雙方得到了相互對應的密鑰。另外由于是通過(guò)粒子作為載體進(jìn)行傳輸，不可能實(shí)現超光速通信。
2.量子隱形傳態(tài)
量子通信的另一個(gè)應用——量子隱形傳態(tài)（Quantum Teleportation）是1993年按照量子力學(xué)設計出來(lái)的一種實(shí)驗方案，即把一個(gè)粒子A的量子態(tài)傳輸給遠處的另一個(gè)粒子B，讓B變成A最初的狀態(tài)，傳的是狀態(tài)而不是粒子。量子隱形傳態(tài)并不是瞬間傳輸，密碼傳輸仍然依賴(lài)傳統信道，因此傳輸速度不可能超光速，因此也并沒(méi)有推翻相對論。
1997年，奧地利量子物理學(xué)家塞林格教授（Anton Zeilinger）帶領(lǐng)的團隊首次實(shí)現了單個(gè)光子單自由度的量子隱形傳態(tài)。2015年，塞林格教授的學(xué)生——中國量子衛星項目首席科學(xué)家潘建偉院士所帶領(lǐng)的研究組實(shí)現了單光子雙自由度的量子隱形傳態(tài)。鑒于光子具有軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量?jì)蓚€(gè)自由度，因此可以說(shuō)潘院士研究組實(shí)現了單個(gè)光子的完整意義上的量子隱形傳態(tài)。
量子通信絕對安全嗎
現有的非對稱(chēng)加密技術(shù)/公鑰加密技術(shù)（RSA是常用的一種）并非不可破解，只是現有的計算機計算能力有限。隨著(zhù)計算機的性能不斷提高，特別是未來(lái)量子計算機的研制，將有可能導致現有公鑰加密被輕易解密。
但是，量子計算機和量子保密通信之間并不是矛和盾的關(guān)系。量子計算機可以依仗的是它基于量子位的無(wú)比強大的計算能力，通過(guò)各種算法來(lái)破解基于復雜算法的加密技術(shù)。而量子密鑰分發(fā)不是基于算法，而是基于糾纏態(tài)的光量子傳輸，直白地說(shuō)，就是量子計算機強大的計算能力在量子密鑰分發(fā)面前是無(wú)用武之力的。
那么量子通信是否就能保證絕對安全？從量子密鑰分發(fā)來(lái)看，點(diǎn)對點(diǎn)之間密鑰傳輸的安全性是毋庸置疑可以保證的。因為在傳輸過(guò)程中，只要第三方試圖竊取信號（以光量子為載體的密鑰），就表示信號被觀(guān)測了，一旦被測量了，狀態(tài)就確定了。但是在被觀(guān)測前它的狀態(tài)是不確定的（處于量子疊加態(tài)），所以只要有人碰（試圖竊取、觀(guān)測）了信號，發(fā)送端和接受端都會(huì )察覺(jué)，因為“碰”信號的中間人再也無(wú)法將原來(lái)那個(gè)疊加態(tài)的量子發(fā)給接受端了，接發(fā)雙方就可以銷(xiāo)毀或丟棄這個(gè)密鑰。考慮到量子密鑰永遠也不可能被截獲，因此，只要能成功接發(fā)一組秘鑰，就可以實(shí)現信息的安全傳送。除非對方實(shí)行7×24小時(shí)干擾（試圖竊取），那樣的話(huà)通信確實(shí)會(huì )被破壞，但這同時(shí)也提示了該信道的不安全性。
但是，在實(shí)際的量子密鑰分發(fā)系統中，光源、信道節點(diǎn)和接收機的不理想特性使其難以滿(mǎn)足理論協(xié)議模型的安全性證明要求，成為可能被竊聽(tīng)者利用的安全漏洞，所以針對實(shí)際量子密鑰分發(fā)系統進(jìn)行攻防測試和安全性升級將是其運營(yíng)維護面臨的一個(gè)問(wèn)題。另外，在現有的長(cháng)距離量子通信傳輸中，基于可信中繼節點(diǎn)的密鑰存儲和轉發(fā)不滿(mǎn)足無(wú)條件安全性證明的要求，可能成為整個(gè)系統的安全風(fēng)險點(diǎn)。
量子通信產(chǎn)業(yè)化
量子通信在軍事、國防、金融等信息安全領(lǐng)域有著(zhù)重大的應用價(jià)值和前景，不僅可用于軍事、國防等領(lǐng)域的國家級保密通信，還可用于涉及秘密數據和票據的電信、證券、保險、銀行、工商、地稅、財政以及企業(yè)云存儲、數據中心等領(lǐng)域和部門(mén)。
國外已有多個(gè)專(zhuān)門(mén)從事量子通信技術(shù)成果轉化和商業(yè)推廣的實(shí)體公司。例如美國的
MagiQ Technologies公司和瑞士日內瓦大學(xué)成立的ID Quantique(IDQ)公司等，能夠提供QKD量子通信的商用化器件、系統和解決方案。法國電信研究院成立的SeQureNet公司從事連續變量量子密鑰分發(fā)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。
國內開(kāi)展量子通信相關(guān)研究的代表性機構包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、ft西大學(xué)、南京大學(xué)、中國科學(xué)院微系統所和技術(shù)物理所等。目前，以中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)相關(guān)研究團隊為核心發(fā)起成立了科大國盾量子、安徽問(wèn)天量子和ft東量子等產(chǎn)業(yè)化實(shí)體，進(jìn)行量子通信前沿研究成果向應用技術(shù)和商用化產(chǎn)品的轉化。2015年12月，中國科學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和科大國盾量子等機構在北京共同發(fā)起組建了“中國量子通信產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”。
量子通信研究的多國競賽
1984年，美國IBM公司科學(xué)家本內特等人提出了首個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議（BB84協(xié)議），使量子通信的研究從理論走向了現實(shí)。隨著(zhù)量子密鑰分發(fā)技術(shù)的發(fā)展和逐步成熟，世界各國試點(diǎn)應用呈現快速發(fā)展趨勢。2003年美國DARPA資助哈佛大學(xué)建立了世界首個(gè)量子密鑰分發(fā)保密通信網(wǎng)絡(luò )。此后，歐美日等多個(gè)地區和國家相繼建成了瑞士量子、東京QKD和維也納SECOQC等多個(gè)量子通信實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )，演示和驗證了城域組網(wǎng)、量子電話(huà)、基礎設備保密通信等應用。
2013年，美國知名研究機構Battelle公布了環(huán)美量子通信骨干網(wǎng)絡(luò )項目，計劃采用瑞士IDQ公司設備，基于分段量子密鑰分發(fā)結合安全可信節點(diǎn)密碼中繼的組網(wǎng)方式，為谷歌、微軟、亞馬遜等互聯(lián)網(wǎng)巨頭的數據中心提供具備量子安全性的通信保障服務(wù)。英國政府在2013年發(fā)布了為期5年的量子信息技術(shù)專(zhuān)項，投入2.7億英鎊用于量子通信和量子計算等方面的研究。
在空間量子研究領(lǐng)域，新加坡國立大學(xué)和英國斯特拉思克萊德大學(xué)組成國際科研團隊，正借助成本僅約10萬(wàn)美元、重量只有約5公斤的立方體衛星開(kāi)展量子實(shí)驗，以實(shí)現“天基量子通信”。基于節約成本的考慮，加拿大科學(xué)家設想在地面制造成對的糾纏光子，然后將它們發(fā)射到不足30公斤重的微型衛星。意大利帕多瓦大學(xué)的科學(xué)家認為，在普通衛星上安裝反射鏡或其他更簡(jiǎn)單的設備就可以完成在太空開(kāi)展量子科學(xué)實(shí)驗的任務(wù)。去年該研究小組展示了光子從衛星彈回地球，仍能保持其量子態(tài)，接收錯誤率極低，足以用于量子密碼傳輸。
我國量子通信研究的試點(diǎn)應用起步較晚但發(fā)展迅速。2007年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在北京制成了國內首個(gè)光纖量子電話(huà)，之后相繼在北京、濟南、蕪湖和合肥等地建立了多個(gè)城域量子通信示范網(wǎng)、金融信息量子通信技術(shù)驗證專(zhuān)線(xiàn)以及關(guān)鍵部門(mén)間的量子通信熱線(xiàn)。2014年，世界第一條量子通信保密干線(xiàn)京滬量子通信干線(xiàn)于2014年啟動(dòng)，2015年初正式投入建設，即將全線(xiàn)接通并正式啟用。2016年8月16日，我國成功發(fā)射了世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗衛星“墨子號”，并于8月17日成功接收該衛星的首軌數據。2017年1月18日，“墨子號”在圓滿(mǎn)完成4個(gè)月的在軌測試任務(wù)后，正式交付中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)使用。
量子通信對未來(lái)信息安全的重要影響決定了這一領(lǐng)域必然是大國布局和競爭的主戰場(chǎng)之一。對于“集中力量辦大事”、實(shí)行舉國體制的中國而言，發(fā)射量子通信衛星似乎是必然的決策，按照《國家創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展戰略綱要》和國家“十三五”規劃綱要的要求，中國要面向2030年部署一批與國家戰略長(cháng)遠發(fā)展和人民生活緊密相關(guān)的重大科技項目和重大工程，其中，量子通信和量子計算機為四個(gè)重大項目之一。
迄今為止，科學(xué)家們已經(jīng)研制出了能完全編程的5個(gè)量子比特的通用型量子計算機，以及包括10到20個(gè)量子比特的專(zhuān)用測試系統。2017年3月6日IBM公司正式宣布，將在今年內推出全球首個(gè)商業(yè)“通用”量子計算服務(wù)，并將之命名為IBMQ。谷歌也加入了量子計算機研究的隊伍中，該公司在加利福尼亞州圣芭芭拉建立了超導量子比特實(shí)驗室。此外，英特爾、微軟等公司也在為建造一臺能工作的量子計算機所需要的各種技術(shù)提供強大支持，包括微電子學(xué)、復雜電路以及控制軟件等的研發(fā)等。
量子衛星發(fā)射成功：中國暫時(shí)領(lǐng)跑
“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛星是中國科學(xué)院空間科學(xué)先導專(zhuān)項首批科學(xué)實(shí)驗衛星之一。衛星有效載荷包括量子糾纏源、量子糾纏發(fā)射機、量子密鑰通信機和量子實(shí)驗控制與處理機，共同完成糾纏光子的生成、發(fā)送、地面通信以及實(shí)驗控制。工程還包括南ft、德令哈、興隆、麗江4個(gè)量子通信地面站和一個(gè)空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗站（阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗平臺）在內的地面科學(xué)應用系統，與量子衛星共同構成天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗系統。
該量子衛星的主要科學(xué)目標一是借助衛星平臺，進(jìn)行星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗，并在此基礎上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗，以期在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破；二是在空間尺度進(jìn)行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗，開(kāi)展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗的實(shí)驗研究。為達成上述目標，未來(lái)兩年內將開(kāi)展以下四項實(shí)驗：星地高速量子密鑰分發(fā)的實(shí)驗；廣域量子通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗任務(wù)；星地雙向糾纏分發(fā)的實(shí)驗；空間尺度量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗，目標建立星地量子信道。
雖然我國信息技術(shù)不少方面仍落后于美國等國家，但是“墨子號”升空使我們實(shí)現了在量子通信領(lǐng)域的突破，走在量子通信研究與應用領(lǐng)域的世界前列。
對于量子信息研究來(lái)說(shuō)，地面上的量子通信應用進(jìn)展迅速，但自由空間量子通信還很落后，所以衛星在太空中實(shí)現量子通信實(shí)驗是一個(gè)巨大的進(jìn)步。我國的量子衛星將為全球量子通信系統提供一個(gè)試驗臺。借助“墨子號”衛星平臺，如果能夠實(shí)現星地間量子密鑰分發(fā)，是對量子通信的發(fā)展的重要一步，也可以說(shuō)明我國具有新的實(shí)驗技術(shù)和實(shí)驗能力。畢竟量子力學(xué)在很多不同的環(huán)境和體系下被檢驗過(guò)多次，但卻從未在太空尺度驗證過(guò)。如果這個(gè)相關(guān)基礎問(wèn)題的實(shí)驗驗證能首次走向太空并取得進(jìn)展，在科學(xué)和技術(shù)的角度上，也是具有重要意義的。
當然，如果能進(jìn)一步實(shí)現星地雙向量子糾纏分發(fā)，甚至空間尺度量子隱形傳態(tài)，那此次量子衛星的發(fā)射就是為未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)的建設打下堅實(shí)的基礎。
