图为：图为长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星（简称“量子卫星”）发射升空。

图为：测试有效载荷光学性能（2016年 7月 21日摄）。

图为：安装外表面热控材料（2016年7月26日摄）。

图为：安装太阳翼（2016年 7月 27日摄）。 研制过程

　　提要

　　中国16日1时40分在酒泉卫星发射中心成功发射全球首颗量子科学实验卫星。

　　这颗量子卫星的发射升空，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。

　　放眼全球，欧盟4月宣布将量子技术作为新的旗舰科研项目，迎接“第二次量子革命”;美国白宫7月建议加大对量子信息科学的投入，称这是“国家的挑战与机遇”。

　　第二次量子革命

　　大约一百多年前，我们生活在一个很正常、经典的宇宙里，一切都合乎常情，没有什么奇怪表现。随后，量子理论出现了。

　　突然间，事物的表现不再总是合乎一个理性的人的料想了。在微观尺度上，一个粒子可以同时处于两个地方，甚至可以同时向两个不同的方向运动。而且粒子之间可以互相纠缠——通过某种方式即时地远程感知、影响对方。

　　起源于1900年普朗克所提理论的量子力学，不断获得实验支持，在一百多年里催生了许多重大发明——原子弹、激光、晶体管、核磁共振、全球卫星定位系统等，改变了世界面貌。欧盟今年4月宣布将量子技术作为新的旗舰科研项目，在公告中称上述成果为“第一次量子革命”。

　　量子信息技术是量子力学的最新发展，代表了正兴起的“第二次量子革命”。在量子信息技术中，最具代表性的是量子通信和量子计算。中国的量子卫星就是全球领先的量子通信实验平台，不过在重点介绍量子通信之前，先来看看量子计算的威力。

　　依照量子理论研发的量子计算机将具有强大的计算能力，速度快过传统计算机亿万倍。其原因之一是，传统计算机中的每个比特位只有0和1两种状态，而一个量子比特位可以有多个状态。美国航天局、谷歌公司等机构在 2015年宣布，合作开发的D-Wave量子模拟机对某些问题的求解速度已达到传统计算机的1亿倍。虽然这还不被国际学术界认为是真正的量子计算机，但量子计算的巨大潜力已然展露无遗。

　　量子攻防战

　　量子计算给保密带来了巨大挑战。中科院量子卓越创新中心的陆朝阳教授告诉新华社记者，现在国防、金融等领域广泛使用的通信密码都是基于数学上的计算复杂度，等到大规模量子计算机真正面世的时候，在超强的计算能力面前，这些密码系统就都会失效。

　　打个比方，量子计算便如可攻破一切传统保密系统的“利矛”。

　　“上帝关闭了一扇门，但又打开了一扇窗，”陆朝阳说，同样源自量子理论的量子通信技术又为保密提供了新手段。它的基础是物理规律，比如在用一个光量子传递信息时，由于单光子已是最小单元，窃听者无法通过截取“半个光子”来获取信息;而窃听者试图对这个光子的状态进行测量时，量子测不准原理又导致这个光量子的状态发生改变，这使窃听必然被察觉并被通信双方规避。客观物理规律是没有人能改变的，也就是说，量子通信成为保密领域新的“坚盾”。

　　目前，量子通信的主要应用方式是量子密钥分配，也就是俗称的量子密码，即用量子通信方式来传输密码。此外，还有一个探索中的前沿领域是量子隐形传态，它利用量子纠缠原理，可以瞬间把量子态传输到遥远地点，接近于一些科幻小说中描写的“远程传送”。

　　新一轮科技竞赛

　　“我相信量子技术在21世纪的重要性可与上个世纪的曼哈顿计划相比，”中科院量子卓越创新中心主任、中国量子卫星项目首席科学家潘建伟院士说。也就是说，量子技术可能像曼哈顿计划造出原子弹那样改变世界格局。

　　由于量子通信和量子计算的巨大前景，各个大国都在竞相发展相关技术。欧盟今年4月宣布，投入10亿欧元支持量子技术，这是欧盟继石墨烯和脑科学之后的第三个旗舰型科研项目。

　　美国白宫也刚刚在7月底发布官方博文，援引美国国家科技委员会7月提出的报告《推进量子信息科学：国家的挑战与机遇》，建议加大对量子信息科学的投入。实际上，美国多个政府部门如国防部、航天局、国家标准与技术研究所(NIST)等早就对量子信息技术研究大量投入。尤其是NIST得到美国政府高强度和稳定的支持，每年获得大量经费。在过去10余年间，NIST在量子调控和量子信息领域产生了5名诺贝尔物理学奖获得者。

　　许多高科技公司也在量子技术方面大量投入。

　　中国卫星引领潮流

　　中国量子科学实验卫星升空，将首次在太空开展与量子通信和量子计算相关的诸多实验，特别是将打造一张天地一体化的量子通信网。在激烈的全球竞争中，“第一颗量子卫星”的头衔来之不易。“量子通信的竞赛自1995年在日内瓦湖底进行量子密钥分发的最初演示时就开始了，”美国波士顿大学的量子物理学家亚历山大·谢尔吉延科告诉新华社记者，他指的是欧洲在全世界最早进行了量子通信实验。潘建伟院士最初也是到奥地利师从量子科学领域权威专家蔡林格教授。蔡林格团队曾在欧洲申请发射卫星，但审批过程不顺利，现在成为中国量子卫星项目的合作方。

　　中国卫星成功发射，将执行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任务。《自然》杂志相关报道说，中国在这场“特殊的太空竞赛”中走在了前面。

　　潘建伟科研团队是这个卫星项目中的中坚力量，他们还主导了今年下半年将交付使用的“京沪干线”量子通信网，这也将是全世界规模最大的量子通信网。可以说，在量子通信研究和应用方面，中国现在是世界的排头兵。

　　由于此前的量子技术实验都是在地上完成，中国的量子卫星还可能为科学理论研究带来新的突破。陆朝阳说，万一量子力学的某些规律在太空中发生变化的话，“那就打开了新的物理学的大门”。

　　解读

　　“墨子号”开启星际首航

　　——全球首颗量子卫星揭秘

　　16日凌晨，被命名为“墨子号”的中国首颗量子科学实验卫星开启星际之旅。它承载着率先探索星地量子通信可能性的使命，并将首次在空间尺度验证量子理论的真实性。

　　在量子卫星首席科学家潘建伟院士看来，如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的“网”，那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。当这张纵横寰宇的量子通信“天地网”织就，海量信息将在其中来去如影，并且“无条件”安全。

　　信息安全的“终极武器”

　　量子科学，对绝大多数人来说十分高冷。最开始，人类结绳记事;然后，我们用语言和文字沟通;再后来，手机、网络成为必需品。信息传输，早已从如何传输，走入了“如何安全传输”的年代。而在这场比电影更精彩的现实大戏中，有两个人贡献了两幕高潮。

　　斯诺登说，有人在监听。

　　潘建伟说，他们听不懂。

　　首颗“量子科学实验卫星”的发射成功，有望让量子通信真正进入广域传输时代;其“测不准”“不可克隆”等特性，使得其传输的信息在理论上永不会被解密。

　　量子通信系统的问世，点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。

　　“四种武器”挑战四大实验任务

　　我科学家在量子卫星上搭载了自主研发的“四种武器”:量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子试验控制与处理机。

　　同时，在地面建设了科学应用系统，包括1个中心——合肥量子科学实验中心;4个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站;1个平台——阿里量子隐形传态实验平台。

　　卫星与地面站共同构成天地一体化量子科学实验系统，在两年的设计寿命期间将进行四大实验任务——星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验、地星量子隐形传态实验。

　　潘建伟介绍，实验大致分为三类：第一类是进行卫星和地面之间的量子密钥分发，实现天地之间的安全通信，如果4个地面站任何两两之间都可以实现安全的通讯，即可实现组网;第二类相当于把量子实验室搬到太空，在空间尺度检验量子理论;第三类是实现卫星和地面千公里量级的量子态隐形传输。

　　10年后量子通信有望辐射千家万户

　　潘建伟说，“墨子号”发射以后，如果效果达到预期，下一步还计划发射“墨子二号”“墨子三号”。“单颗低轨卫星无法覆盖全球，同时由于强烈的太阳光背景，目前的星地量子通信只能在夜间进行。要实现高效的全球化量子通信，还需要形成一个卫星网络。”

　　未来，一个由几十颗量子卫星组成的“璀璨星群”，将与地面量子通信干线“携手”，支撑起“天地一体”的量子通信网。

　　“随着中国科技的迅猛发展，我相信量子通信将在10年左右时间辐射千家万户。期盼在我有生之年，能亲眼目睹以量子计算为终端、以量子通信为安全保障的量子互联网的诞生。”潘建伟说，“我相信中国科学家们做得到。”

　　评论

　　探索“魔法”的中国首射

　　中国刚刚成功发射的世界首颗量子科学实验卫星”墨子号”，引发了全球科技界的关注和热议。

　　中国此次发射量子卫星的主要任务，是执行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任务。这都是量子信息技术的最前沿研究，自然是举世瞩目。

　　量子、引力波等许多看似枯燥无味或高深难懂的基础研究，之所以吸引全球各主要国家持之以恒地研究投入，正在于它们都有着引发魔法般巨变的前景。量子力学已经引发了社会巨变。比如，电磁波的发现最终使人类有了无线电通信和手机，在狭义相对论中质能关系理论指导下，科学家最终制造出了原子弹、氢弹和核反应堆，卫星定位等技术也借助了狭义相对论的知识。基础科学研究可以带给人类什么？它带给人类无穷的可能。前沿基础研究，探索的是“魔法”的奥秘，必将带来社会进步。