2013 年，斯諾登棱鏡門事件揭開了美國的虛僞面紗，全世界各個國家都被美國嚴密監視， 美國國家安全局對德國境内的電話、電子郵件和短信通訊進行竊聽和儲存的規模高達每個月5億次。通常德國每天有近2000萬個電話和1000萬個互聯網數據集遭到監控。而如果一旦軍事領域收到監視，那麼任何行動都暴露在美國的眼前，将無所遁形。那麼國家安全将遭受到嚴重威脅。

如何徹底杜絕美國的監聽，防止機密洩漏，打赢這場信息戰，我國的科學家經過長時間， 2016年8月，中國發射世界首顆“量子衛星”——墨子号，将組建連接全世界的通信網絡，而量子的特性，也将保證數據将百分百不會被洩漏。潘建偉教授經過 13 年時間研發的量子衛星，究竟有多強大，以及有什麼重大意義，今天我們就來聊一下。

1935年，在普林斯頓高等研究院，愛因斯坦、博士後羅森、研究員波多爾斯基合作完成論文《物理實在的量子力學描述能否被認為是完備的？》，并且将這篇論文發表于5月份的《物理評論》。這是最早探讨量子力學理論對于強關聯系統所做的反直覺預測的一篇論文。在這篇論文裡，他們詳細表述EPR佯謬，試圖借着一個思想實驗來論述量子力學的不完備性質。（EPR就是指：E:愛因斯坦、P:波多爾斯基和R:羅森）

在愛因斯坦這個實驗中提到，A和B兩個粒子在瞬間接觸後，沿相反方向離去。雖然測不準原理不允許同時得知每個粒子的位置與動量，但他允許同時精确的測量A和B兩個粒子的總動量和他們的相對距離

這樣一來，如果我們隻測量A的動量，再根據動量守恒定律，就可以在B不受幹擾和影響的情況下，精确的得知B的動量。

戴維·玻姆版的EPR思想實驗，玻姆将其簡化為測量粒子自旋的實驗

這樣就能證明B粒子的位置與動量的現實性在對B測量之前是存在的，并不是像哥本哈根那樣所認為的在測量之前不存在位置與動量，動量與位置僅僅是以概率雲的形式存在！

這個思想實驗裡有一個非常重要的一點——“定域性假設”，即如果測量時兩個系統不再相互作用，那麼對第一個系統所做的無論什麼事，都不會使第二個系統發生任何變化。

愛因斯坦的目的是為了反擊哥本哈根學派對于量子力學的诠釋。而哥本哈根學派掌門人玻爾雖然最後承認了愛因斯坦提出的“現實性”和“A,B之間不存在“力學”的影響”的觀點。

但是玻爾卻敏銳地指出這個實驗中測量A粒子的行為是問題的關鍵 。

玻爾認為：A和B在分開之前曾互相作用，它們将永遠作為一個系統的一部分糾纏在一起，不能視作2個獨立的系統，因此測量A的動量實際上等效于對B進行了直接的同樣的測量，這才使得B立即有了完全明确的動量 。

這就引出了著名的“量子糾纏”理論，舉一個例子，在微觀世界裡，兩個糾纏的粒子可以超越空間進行瞬時作用。也就是說，一個糾纏粒子在地球上，另一個糾纏粒子在月球上，隻要對地球上的粒子進行測量，發現它的自旋為下，那麼遠在月球上的另一個糾纏粒子的自旋必然為上。

但愛因斯坦立馬反駁，量子糾纏怎麼可以讓兩個粒子超越空間的進行瞬時作用呢？這不就是突破了光速極限了嗎？

愛因斯坦為此也舉了一個例子。把一雙手套分别放入兩個外觀完全相同的兩個盒子裡，打亂之後，随機挑選一個放在家裡，而把另一個放到南極洲。倘若我打開家裡的盒子發現為左手套，那麼我就同時知道，遠在南極的那個盒子裡的手套必為右手套。愛因斯坦相信，量子糾纏是一個粒子被分割成兩個粒子後形成的糾纏現象，所以它們各自的狀态在被分離開的那一瞬間就被決定好了！這樣一來，量子糾纏就不能超越光速了。

後來科學家提出了一個名為“貝爾不等式”的定理。簡單一點說，貝爾不等式就是說，量子糾纏背後到底有沒有一個未知的新世界或者新現象幹預着粒子之間相互作用，進而導緻自然世界出現了像量子糾纏這種神奇的“表象”。如果該不等式成立，那麼愛因斯坦獲勝，如果該不等式不成立，則玻爾獲勝！

目前為止，盡管還不知道愛因斯坦和玻爾究竟誰對誰錯，但是量子糾纏現象的确是存在的， 這些年來，衆多研究結果促成了應用這些超強關聯來傳遞信息的可能性，從而導緻了量子通信的發展，量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。

因為就像我們前面說到的這樣，具有糾纏态的兩個粒子無論相距多遠，隻要一個發生變化，另外一個也會瞬間發生變化，利用這個特性實現光量子通信的過程如下：事先構建一對具有糾纏态的粒子，将兩個粒子分别放在通信雙方，将具有未知量子态的粒子與發送方的粒子進行聯合測量（一種操作），則接收方的粒子瞬間發生坍塌（變化），坍塌（變化）為某種狀态，這個狀态與發送方的粒子坍塌（變化）後的狀态是對稱的，然後将聯合測量的信息通過經典信道傳送給接收方，接收方根據接收到的信息對坍塌的粒子進行幺正變換（相當于逆轉變換），即可得到與發送方完全相同的未知量子态。

經典通信較光量子通信相比，其安全性和高效性都無法與之相提并論。安全性-量子通信絕不會“洩密”，量子通信技術被認為是“保障未來信息社會通信機密性和隐私的關鍵技術”。

因為量子通信要求光源發射單光子，因為單光子的量子狀态不可複制、不可竊聽。但實際上我們一般采用的是弱相幹光子源 ，這就産生了光源不完美的漏洞。再弱的相幹光都存在多光子成分，可能發出兩個或更多光子。針對弱相幹光的這一特點，攻擊者可以采取所謂的PNS 攻擊，簡單地說，可以理解為：在光源發射方發出多光子後，攻擊者竊取一個光子，剩餘光子傳給接收者。如果攻擊者與接收者進行相同基矢測量，就能獲得與接收者相同的信息，也就是竊取信息。

由于單光子不可分割、不可複制，不能像傳統通信那樣進行複制放大，所以百公裡幾乎已成量子通信的極限。

所以目前量子通信的難度就在于如何實現光源發射單光子以及實現遠距離量子通信。

潘建偉教授就多年從事量子通信研究， 1996年，碩士畢業經導師推薦，潘建偉赴奧地利因斯布魯克大學攻讀博士學位，師從量子實驗研究的世界級大師蔡林格。由此開始了幾十年的量子通信研究之路。

2003年，潘建偉研究小組開始研究自由空間量子通信，他們在實驗點制備出成對的糾纏光子，再利用兩個專門設計加工的發射望遠鏡将容易發散的細小光束“增肥”後向東西相距13公裡的兩個實驗站送出，兩個接收端用同樣型号的望遠鏡收集。

經過研究人員的種種努力，在如此遠距離的傳送中，雖有許多糾纏光子衰減，但仍有相當比例的“夫妻對”能存活下來并有旺盛的生命力，經單光子探測器檢測，分居東西兩地的光子“夫妻對”即使相距遙遠仍能保持相互糾纏狀态，攜帶信息的數量和質量能完全滿足基于衛星的全球化量子通信要求。

在此基礎上，研究小組進一步利用分發的糾纏光源進行絕對安全的量子保密通信。13公裡不僅是目前國際上自由空間糾纏光子分發的最遠距離，也是目前國際上沒有竊聽漏洞量子密鑰分發的最大距離。

2012年8月11日，我國科學家潘建偉等人近期在國際上首次成功實現百公裡量級的自由空間量子隐形傳态和糾纏分發，為發射全球首顆“量子通訊衛星”奠定技術基礎。國際權威學術期刊《自然》雜志8月9日重點介紹了該成果。

潘建偉團隊還成功建設了“合肥城域量子通信實驗示範網”。該網絡有46個節點，連接40組“量子電話”用戶和16組“量子視頻”用戶。

然而，目前已經建好的通信網絡都是通過光纖輸運光子，光纖對光子的固有損耗就限制了量子通信的距離隻能在百公裡級。如果想進一步實現遠距離的量子通信，就需要量子衛星了。将光子發射到太空中通過衛星中轉，光子隻需要穿過10公裡厚的大氣層，損耗很小，就可能實現全球化的量子通信網絡。

也就是說高損耗的地面成功傳輸100公裡，意味着在低損耗的太空傳輸距離将可以達到1000公裡以上。

所以這也是我們為什麼要研制量子衛星的原因。

其實，研究量子通信衛星并不僅僅隻有中國，2015年，美國航空航天局計劃再其總部與噴氣推進實驗室之間建立一個遠距離光纖量子通信幹線，該幹線直線距離600公裡，光纖皮長1000公裡，擁有10個中轉基站，并計劃星地量子通信。

2017年，日本信息通信研究機構稱，他們使用一顆名為SOCRATES的超小型衛星進行了量子通信實驗，在衛星和位于東京都小金井市的一個地面站之間成功進行了光子單位的信息傳送。然而，由于他們的對準精度不夠，為了收到信号，一個光脈沖不得不包含一億個光子，可以說基本上就是相當于把發送的訊息免費送給所有人看。。。

2017年，加拿大太空局宣布借鑒中國的成功經驗開展量子衛星試驗，滑鐵盧大學的克裡斯托弗·波領銜開發了原型接收機，将其安裝在一架雙水獺飛機上，以與低軌道衛星相似的角速度接受地面站發來的信号。

2019年4月，歐洲委員會和歐洲航天局才達成協議，為建立高度安全的泛歐量子通信基礎設施邁出了第一步，準備建立一個安全的終端對終端量子通信基礎設施，以保護歐盟的敏感數據和數字基礎設施。

但是在量子通信技術上，中國是處于壟斷地位的，就像我們說的一樣，從潘建偉教授首次成功實現百公裡量級的自由空間量子隐形傳态和糾纏分發，經過四年時間，2016年，墨子号量子衛星成功發射。

中國科學家15日（當地時間）在美國《科學》雜志上報告說，中國“墨子号”量子衛星在世界上首次實現千公裡量級的量子糾纏，這意味着量子通信向實用邁出一大步。

随着實現千公裡級别的量子糾纏，量子衛星的目标是在衛星與地面站之間實現量子保密通信。而要實現這一點，關鍵就是在星地之間上千公裡的距離上，探測到單個光子，而不是像日本一樣，發射出去1億個光子，目前，量子号的實驗已經實現發射單光子。（一千公裡外的量子糾纏再次否定了“貝爾不等式”，證明了玻爾的正确性，在大尺度空間上驗證了量子力學的正确性。）

量子衛星的發射是有史以來量子通信第一次邁入實用階段。量子衛星的發射為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了可靠的技術基礎，

“以星地量子密鑰分發為基礎，将衛星作為可信中繼，可以實現地球上任意兩點的密鑰共享，将量子密鑰分發範圍擴展到覆蓋全球。此外，将量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網，如此間建立的合肥量子通信網、濟南量子通信網、京滬幹線等互聯，可以構建覆蓋全球的天地一體化保密通信網絡”。

目前，量子号還要實現基于糾纏的量子密鑰分發， 量子密鑰分發是利用量子力學特性來保證通信 安全性。它使通信的雙方能夠産生并分享一個随機的、安全的密鑰 ，來加密和解密消息。

量子密碼學的核心就是量子密鑰分發，它是利用量子力學特性來保證通信安全性。它使通信的雙方能夠産生并分享一個随機的、安全的密鑰，來加密和解密消息。

量子密鑰分發的一個最重要的，也是最獨特的性質是：如果有第三方試圖竊聽密碼，則通信的雙方便會察覺。這種性質基于量子力學的基本原理：任何對量子系統的測量都會對系統産生幹擾。第三方試圖竊聽密碼，必須用某種方式測量它，而這些測量就會帶來可察覺的異常。通過量子疊加态或量子糾纏态來傳輸信息，通信系統便可以檢測是否存在竊聽。當竊聽低于一定标準，一個有安全保障的密鑰就可以産生了。

給予糾纏的量子密鑰分發是指分别在通信雙方手中具有糾纏态的2個粒子，其中一個粒子的量子态發生變化，另外一方的量子态就會随之立刻變化，并且根據量子理論，宏觀的任何觀察和幹擾，都會立刻改變量子态，引起其坍塌，因此竊取者由于幹擾而得到的信息已經破壞，并非原有信息。高效，被傳輸的未知量子态在被測量之前會處于糾纏态，即同時代表多個狀态，例如一個量子态可以同時表示0和1兩個數字， 7個這樣的量子态就可以同時表示128個狀态或128個數字：0~127。光量子通信的這樣一次傳輸，就相當于經典通信方式的128次。可以想象如果傳輸帶寬是64位或者更高，那麼效率之差将是驚人的。

量子衛星将徹底杜絕間諜竊聽及破解的保密通信技術，抗衡外國的網絡攻擊與防禦能力，要知道在未來軍事作戰就靠的是獲取信息的多少，打得是信息戰，而量子衛星将徹底杜絕美國獲取我方情報。美國目前已經無法在量子通信技術上追趕我們，所以目前他們在大力發展量子計算機，量子計算機是未來大國角力的核心技術，但是目前 中國科學院潘建偉團隊構建的光量子計算機實驗樣機計算能力已超越早期計算機。此外，中國科研團隊完成了10個超導量子比特的操縱，成功打破了目前世界上最大位數的超導量子比特的糾纏和完整的測量的記錄。

未來，我們将發射更多的量子衛星，開展衛星組網實驗，實現高效的全球量子通信。在科技創新上，中國正一步步奮勇前行。

（美國在量子通信技術上是全面落後中國的，中國在單光子和糾纏光子制備技術上具有壟斷地位，另外，潘建偉教授憑借在量子通信上的成就獲得中國諾獎-國家自然科學獎一等獎、 歐洲物理學會菲涅爾獎 、《自然》年度科學十大人物、克利夫蘭大獎等都充分肯定了潘建偉教授的成就。很多人否定量子力學，量子霍爾效應在半導體上的應用，目前在半導體行業，如晶體管的發明與發展等，都是依賴于量子力學。）

,

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!

查看全部