圖為：圖為長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星（簡稱“量子衛星”）發射升空。

圖為：測試有效載荷光學性能（2016年 7月 21日攝）。

圖為：安裝外表面熱控材料（2016年7月26日攝）。

圖為：安裝太陽翼（2016年 7月 27日攝）。 研制過程

　　提要

　　中國16日1時40分在酒泉衛星發射中心成功發射全球首顆量子科學實驗衛星。

　　這顆量子衛星的發射升空，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實驗體系。

　　放眼全球，歐盟4月宣布將量子技術作為新的旗艦科研項目，迎接“第二次量子革命”;美國白宮7月建議加大對量子信息科學的投入，稱這是“國家的挑戰與機遇”。

　　第二次量子革命

　　大約一百多年前，我們生活在一個很正常、經典的宇宙里，一切都合乎常情，沒有什么奇怪表現。隨后，量子理論出現了。

　　突然間，事物的表現不再總是合乎一個理性的人的料想了。在微觀尺度上，一個粒子可以同時處于兩個地方，甚至可以同時向兩個不同的方向運動。而且粒子之間可以互相糾纏——通過某種方式即時地遠程感知、影響對方。

　　起源于1900年普朗克所提理論的量子力學，不斷獲得實驗支持，在一百多年里催生了許多重大發明——原子彈、激光、晶體管、核磁共振、全球衛星定位系統等，改變了世界面貌。歐盟今年4月宣布將量子技術作為新的旗艦科研項目，在公告中稱上述成果為“第一次量子革命”。

　　量子信息技術是量子力學的最新發展，代表了正興起的“第二次量子革命”。在量子信息技術中，最具代表性的是量子通信和量子計算。中國的量子衛星就是全球領先的量子通信實驗平臺，不過在重點介紹量子通信之前，先來看看量子計算的威力。

　　依照量子理論研發的量子計算機將具有強大的計算能力，速度快過傳統計算機億萬倍。其原因之一是，傳統計算機中的每個比特位只有0和1兩種狀態，而一個量子比特位可以有多個狀態。美國航天局、谷歌公司等機構在 2015年宣布，合作開發的D-Wave量子模擬機對某些問題的求解速度已達到傳統計算機的1億倍。雖然這還不被國際學術界認為是真正的量子計算機，但量子計算的巨大潛力已然展露無遺。

　　量子攻防戰

　　量子計算給保密帶來了巨大挑戰。中科院量子卓越創新中心的陸朝陽教授告訴新華社記者，現在國防、金融等領域廣泛使用的通信密碼都是基于數學上的計算復雜度，等到大規模量子計算機真正面世的時候，在超強的計算能力面前，這些密碼系統就都會失效。

　　打個比方，量子計算便如可攻破一切傳統保密系統的“利矛”。

　　“上帝關閉了一扇門，但又打開了一扇窗，”陸朝陽說，同樣源自量子理論的量子通信技術又為保密提供了新手段。它的基礎是物理規律，比如在用一個光量子傳遞信息時，由于單光子已是最小單元，竊聽者無法通過截取“半個光子”來獲取信息;而竊聽者試圖對這個光子的狀態進行測量時，量子測不準原理又導致這個光量子的狀態發生改變，這使竊聽必然被察覺并被通信雙方規避。客觀物理規律是沒有人能改變的，也就是說，量子通信成為保密領域新的“堅盾”。

　　目前，量子通信的主要應用方式是量子密鑰分配，也就是俗稱的量子密碼，即用量子通信方式來傳輸密碼。此外，還有一個探索中的前沿領域是量子隱形傳態，它利用量子糾纏原理，可以瞬間把量子態傳輸到遙遠地點，接近于一些科幻小說中描寫的“遠程傳送”。

　　新一輪科技競賽

　　“我相信量子技術在21世紀的重要性可與上個世紀的曼哈頓計劃相比，”中科院量子卓越創新中心主任、中國量子衛星項目首席科學家潘建偉院士說。也就是說，量子技術可能像曼哈頓計劃造出原子彈那樣改變世界格局。

　　由于量子通信和量子計算的巨大前景，各個大國都在競相發展相關技術。歐盟今年4月宣布，投入10億歐元支持量子技術，這是歐盟繼石墨烯和腦科學之后的第三個旗艦型科研項目。

　　美國白宮也剛剛在7月底發布官方博文，援引美國國家科技委員會7月提出的報告《推進量子信息科學：國家的挑戰與機遇》，建議加大對量子信息科學的投入。實際上，美國多個政府部門如國防部、航天局、國家標準與技術研究所(NIST)等早就對量子信息技術研究大量投入。尤其是NIST得到美國政府高強度和穩定的支持，每年獲得大量經費。在過去10余年間，NIST在量子調控和量子信息領域產生了5名諾貝爾物理學獎獲得者。

　　許多高科技公司也在量子技術方面大量投入。

　　中國衛星引領潮流

　　中國量子科學實驗衛星升空，將首次在太空開展與量子通信和量子計算相關的諸多實驗，特別是將打造一張天地一體化的量子通信網。在激烈的全球競爭中，“第一顆量子衛星”的頭銜來之不易。“量子通信的競賽自1995年在日內瓦湖底進行量子密鑰分發的最初演示時就開始了，”美國波士頓大學的量子物理學家亞歷山大·謝爾吉延科告訴新華社記者，他指的是歐洲在全世界最早進行了量子通信實驗。潘建偉院士最初也是到奧地利師從量子科學領域權威專家蔡林格教授。蔡林格團隊曾在歐洲申請發射衛星，但審批過程不順利，現在成為中國量子衛星項目的合作方。

　　中國衛星成功發射，將執行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實驗任務。《自然》雜志相關報道說，中國在這場“特殊的太空競賽”中走在了前面。

　　潘建偉科研團隊是這個衛星項目中的中堅力量，他們還主導了今年下半年將交付使用的“京滬干線”量子通信網，這也將是全世界規模最大的量子通信網。可以說，在量子通信研究和應用方面，中國現在是世界的排頭兵。

　　由于此前的量子技術實驗都是在地上完成，中國的量子衛星還可能為科學理論研究帶來新的突破。陸朝陽說，萬一量子力學的某些規律在太空中發生變化的話，“那就打開了新的物理學的大門”。

　　解讀

　　“墨子號”開啟星際首航

　　——全球首顆量子衛星揭秘

　　16日凌晨，被命名為“墨子號”的中國首顆量子科學實驗衛星開啟星際之旅。它承載著率先探索星地量子通信可能性的使命，并將首次在空間尺度驗證量子理論的真實性。

　　在量子衛星首席科學家潘建偉院士看來，如果說地面量子通信構建了一張連接每個城市、每個信息傳輸點的“網”，那么量子科學實驗衛星就像一桿將這張網射向太空的“標槍”。當這張縱橫寰宇的量子通信“天地網”織就，海量信息將在其中來去如影，并且“無條件”安全。

　　信息安全的“終極武器”

　　量子科學，對絕大多數人來說十分高冷。最開始，人類結繩記事;然后，我們用語言和文字溝通;再后來，手機、網絡成為必需品。信息傳輸，早已從如何傳輸，走入了“如何安全傳輸”的年代。而在這場比電影更精彩的現實大戲中，有兩個人貢獻了兩幕高潮。

　　斯諾登說，有人在監聽。

　　潘建偉說，他們聽不懂。

　　首顆“量子科學實驗衛星”的發射成功，有望讓量子通信真正進入廣域傳輸時代;其“測不準”“不可克隆”等特性，使得其傳輸的信息在理論上永不會被解密。

　　量子通信系統的問世，點燃了建造“絕對安全”通信系統的希望。

　　“四種武器”挑戰四大實驗任務

　　我科學家在量子衛星上搭載了自主研發的“四種武器”:量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源和量子試驗控制與處理機。

　　同時，在地面建設了科學應用系統，包括1個中心——合肥量子科學實驗中心;4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站;1個平臺——阿里量子隱形傳態實驗平臺。

　　衛星與地面站共同構成天地一體化量子科學實驗系統，在兩年的設計壽命期間將進行四大實驗任務——星地高速量子密鑰分發實驗、廣域量子通信網絡實驗、星地量子糾纏分發實驗、地星量子隱形傳態實驗。

　　潘建偉介紹，實驗大致分為三類：第一類是進行衛星和地面之間的量子密鑰分發，實現天地之間的安全通信，如果4個地面站任何兩兩之間都可以實現安全的通訊，即可實現組網;第二類相當于把量子實驗室搬到太空，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。

　　10年后量子通信有望輻射千家萬戶

　　潘建偉說，“墨子號”發射以后，如果效果達到預期，下一步還計劃發射“墨子二號”“墨子三號”。“單顆低軌衛星無法覆蓋全球，同時由于強烈的太陽光背景，目前的星地量子通信只能在夜間進行。要實現高效的全球化量子通信，還需要形成一個衛星網絡。”

　　未來，一個由幾十顆量子衛星組成的“璀璨星群”，將與地面量子通信干線“攜手”，支撐起“天地一體”的量子通信網。

　　“隨著中國科技的迅猛發展，我相信量子通信將在10年左右時間輻射千家萬戶。期盼在我有生之年，能親眼目睹以量子計算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯網的誕生。”潘建偉說，“我相信中國科學家們做得到。”

　　評論

　　探索“魔法”的中國首射

　　中國剛剛成功發射的世界首顆量子科學實驗衛星”墨子號”，引發了全球科技界的關注和熱議。

　　中國此次發射量子衛星的主要任務，是執行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實驗任務。這都是量子信息技術的最前沿研究，自然是舉世矚目。

　　量子、引力波等許多看似枯燥無味或高深難懂的基礎研究，之所以吸引全球各主要國家持之以恒地研究投入，正在于它們都有著引發魔法般巨變的前景。量子力學已經引發了社會巨變。比如，電磁波的發現最終使人類有了無線電通信和手機，在狹義相對論中質能關系理論指導下，科學家最終制造出了原子彈、氫彈和核反應堆，衛星定位等技術也借助了狹義相對論的知識。基礎科學研究可以帶給人類什么？它帶給人類無窮的可能。前沿基礎研究，探索的是“魔法”的奧秘，必將帶來社會進步。