《江苏科技报》记者 孟婧
8月16日，中国发射了全球首颗量子科学实验卫星“墨子”，这将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。
对于大多数非专业领域的人来说，“量子密钥分发”等专业词汇“太烧脑”、看不懂。其实，量子通信“本尊”并没有那么神秘。下面，就让科学家带着我们一起来“扫盲”。
量子研究像挖深井
量子这个名字让我们觉得陌生，但实际上，量子科学研究早已应用渗透到日常生活中了，只是我们还不自知。“我们用手机拍照、听CD等等，还有‘激光’‘超导体’‘纳米材料’等领域，都是在量子力学基础上发展出的各种高新技术。”量子物理专家、清华大学交叉信息研究院助理研究员尹璋琦告诉记者，“量子”从严格意义上来说是个形容词，人们将观察分子、原子等微观世界相关运行规律这一学科称为量子物理学。
20世纪初，普朗克、爱因斯坦、玻尔开创了量子物理学研究。随后，海森堡、薛定谔、狄拉克等物理学家建立了量子力学。从此，量子物理学沿着两条路深刻地推动着人类文明发展。一条路是“自上而下”的，即不断深入微观世界探索基本粒子。我们经常听到的“高能物理（即粒子物理）”“大统一理论”“大型强子对撞机”等等就是来自这个领域。另一条路是“自下而上”的，就是认识身边的各种物质背后的量子力学规律，并在此基础上发展各种高新技术来改变世界。我们经常听到的“凝聚态物理”“半导体”“激光”“超导体”“纳米材料”等等就来自这个方向。
“量子研究的出发点比较‘高冷’，不过随着量子研究越来越深入，我们慢慢发现了量子物理学一些意想不到的应用，这就像挖一座‘深井’，总会出现新的惊喜。”尹璋琦说。
比如，此次“墨子号”量子通信卫星将完成包括星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等多项科学实验项目，其中量子密钥分发最受关注，因为借助这一项目，未来我们在生活中或许能应用到安全性超高的量子通信技术。
“墨子”拿手戏是“配钥匙”
在认识量子通信卫星“墨子”之前，这些小故事你或许都经历过：青春期，你羞涩地写好一封情书，小心黏好信封，反复确认，但情书还是被父母发现并拆开了；工作后，你发送一封涉及商业秘密的邮件，尽管非常谨慎，还是被有心人窃听了……当前，信息安全还远远没有想象中那么高枕无忧。
如今，量子通信技术的发展或许会改变这一切。
有专家将量子通信卫星的主要作用比喻为“配钥匙”，而“配钥匙”的核心技术就是量子密钥分发。尹璋琦介绍，量子密钥分发指通讯的双方通过一定的协议，来共享一个随机的安全的密钥，并可以用它来加密和解密信息。
尹璋琦强调，“随机”和“安全”很重要。“‘墨子号’的工作原理就是通过量子理论随机地配置这把钥匙。而且，在配置这把钥匙之前，不管是卫星还是地面站点，双方都不知道这把钥匙长什么样。此外，量子通信能保证安全主要因为其信号传播依赖的是单个光子，单个光子所携带的信息，是不能被复制和克隆的。”
“窃听者如果想拦截量子信号，并对其进行测量，将不可避免地破坏携带密钥信息的量子态，根据量子不可克隆定理，这种破坏会很快被信息发送者和接收者发现。这也是基于量子特性的研究。”尹璋琦表示，“光子的特性有点脆弱和‘任性’，这颗容易受伤的‘玻璃心’保证了量子通信的安全保密。”
星地传输“针尖对麦芒”
由于光子的“玻璃心”，在大气或光纤中传播，光信号会衰减。尹璋琦介绍，现在已知的光子在地面传输的最远距离是300公里，更远的话，损耗会更大。因此，对“墨子号”来说，解决光子的损耗是个大问题。
一直以来，量子通信的距离也受到很大限制，如果想传输得更远，就需要不断建中继站，而如果发射量子通信卫星，此时光信号达到大气层时，其信号衰减很少，因此可以将通信范围扩展至全球。
尹璋琦表示，“墨子号”实验会在夜间进行，从而降低太阳光对信号传播的影响。未来“墨子号”如何解决太阳光辐射问题，实现白天也能工作，是个巨大挑战。
此外，为了让单个光子传送数百公里，穿越大气并钻进地面接收器，“墨子号”必须时刻矫正位置，精确对准地面的接收目标。量子卫星首席科学家潘建伟曾将其形容为“针尖对麦芒”，技术难度可想而知。
“量子通信目前已经应用到国家、军队、金融等系统中，不过，对普通民众来说，使用量子通信的成本还是比较高的。”尹璋琦这样对记者说。
专家认为，量子通信不仅仅是一种全新的加密通信手段，还将成为新一代信息网络安全解决方案的关键技术和日益普遍的电子服务的安全基石。量子保密通信技术正从实验室演示走向产业化和实用化，朝着高速率、远距离、网络化的方向快速发展，不过，要让每个人都用上量子通信，乐观估计也要10到15年时间。
