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“量子科学实验卫星”

工作。

工作人员调试超冷原子光晶格平台的激光伺服系统。 新华社发

潘建伟院士演示实用化量子通信产品进行远距离保密通话。新华社发

杭添仁

8月中旬，我国“量子科学实验卫星”将择机发射。如果该卫星运行成功，我国将成为世界上首次实现卫星和地面之间量子通信的国家，并结合地面已有的光纤量子通信网络，初步构建一个天地一体化的量子保密通信与实验体系，在世界上率先实现全球化的量子保密通信。

神秘量子纠缠带来保密通信

量子世界中存在一种类似“心电感应”的现象，即量子纠缠。就好比有些双胞胎，虽然哥哥在北京，弟弟在上海，当哥哥特别高兴时，弟弟也会特别高兴；而哥哥特别痛苦的时候，弟弟也会特别痛苦。

其实很久以前，人类只知道太阳会从西边下山，第二天会从东边升起这个现象，但为什么会这样当时谁也不知道。后来人们发现了万有引力，知道了地球绕着太阳转，本身也自转，这才明白太阳为什么会在第二天从东方升起。因此，量子纠缠的现象虽然现在看起来不可思议，但科学家们以后有可能搞清楚它的原理，到了那时候，这种今天看起来神秘的现象就不奇怪了。

虽然现在还弄不清量子纠缠的原理，但我们却可以利用这一现象作为通信的手段。利用量子纠缠技术，需要传输的量子态信息如同科幻中描绘的超时空穿越，在一个地方神秘消失，不需要任何载体携带，又在另一个地方神秘出现。

实验已证明，具有纠缠态的两个光量子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化。量子保密通信就是利用这个特性实现的，即基于量子纠缠态的理论，通过量子密钥传输和量子隐形传态的方式实现信息传递。

其过程如下：事先构建一对具有纠缠态的光量子，将这对光量子分别放在通信双方，把具有未知量子态的光量子与发送方的光量子进行联合测量，则接收方的光量子瞬间变化为某种状态，这个状态与发送方的光量子变化后的状态是对称的，然后把联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对变化的光量子进行幺正变换（相当于逆转变换），就可得到与发送方完全相同的未知量子态。

量子通信的关键要素是量子密钥，用具有量子态的物质作为密码。在传递信息的过程中，量子密钥一旦被截获，其自身状态会立刻发生改变，截获量子密钥的人只能得到无效信息，而信息的合法接收者也能立刻察觉，直到一把新的密钥安全无误地被接收。

传统的通信加密和传输安全都是依赖于复杂的算法，但是只要窃取者的计算能力足够强大，再复杂的保密算法都能够被破解，因此都不能够做到绝对安全。量子通信的安全性基于量子物理的基本原理，作为光的最小粒子，每个光量子在传输信息的时候具有不可分割和不可被精确复制两大特性，从而能保证信息的不可和不可破解，所以哪怕计算能力再强也是破解不了的。

信息量巨大瞬时传递

量子隐形传态是基于量子叠加、量子纠缠理论，通过隐形传输而实现的信息传递方式。它利用量子纠缠技术，借助卫星网络、光纤网络等经典信道，传输量子态携带的量子信息。这种全新的通信方式传输的不再是经典信息，而是量子态携带的量子信息。其携载的信息量很大，因而让一般的光纤网络和普通卫星网络只能望尘莫及，即使3G、4G甚至5G、6G网络也无法媲美。

为了进行远距离的量子隐形传态，往往需要事先让相距遥远的两地共同拥有最大量子纠缠态。但是，由于存在各种不可避免的环境噪声，量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此，如何提纯高品质的量子纠缠态是量子通信研究中的重要课题。20多年来，潘建伟等中国科学家在自由空间量子纠缠分发和量子隐形传态实验方面，不断取得国际领先的突破性成果，已从实现对单光量子的精确操纵到实现4光量子（2003年）、5光量子（2004年）、6光量子（2007年）、8光量子纠缠（2012年），为基于卫星的广域量子通信和量子力学基础原理检验奠定了坚实基础。

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