據中國科學技術大學教授、中國科學院院士、中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新主任潘建偉透露，中科院“量子科學實驗衛星”預計2016年8月發 射，這既是中國首個、更是世界首個量子衛星。該衛星的發射將使中國在國際上率先實現高速星地量子通信，連線地面光纖量子通信網路，初步構建量子通信網路。 他還透露，“京滬幹線”大尺度光纖量子通信骨幹網工程預計於今年下半年交付。據悉，這一工程將構建千公里級高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網 絡，建成大尺度量子通信技術驗證、套用研究和套用示範平台。
基本介紹
- 中文名：中國量子通信衛星
- 外文名：Quantum Teleportation
- 國家：中華人民共和國
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新聞背景
全國政協委員、中科院院士潘建偉3日透露，全球首顆量子通信科學實驗衛星有望在7月發射。如果該衛星成功運行，中國將在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，並結合地面已有的光纖量子通信網路，初步構建一個廣域量子通信體系。在量子通信技術成熟之後，類似於“稜鏡門”之類的竊聽行為將很難重演。
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。同傳統通信相比，量子通信的安全性和高效性都實現了巨大提高，可以從根本上解決國防、金融、政務、商業等領域的信息安全問題。
潘建偉院士曾打比方，“古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆開，就會留下泄密的痕跡”。量子密鑰在量子通信中的作用比火漆更徹底，因為一旦有人試圖打開“信件”，量子密鑰會讓“信件”自毀，並讓使用者知曉。理論上說，量子加密技術套用成熟後，類似於“稜鏡門”之類的竊聽事件將很難發生。
中科院院士潘建偉
中國計畫在2030年建成全球化的量子通信網路，因此在2011年啟動了量子科學實驗衛星的研製，2013年啟動了光纖量子通信骨幹網工程“京滬幹線”項目。潘建偉院士說，即將建成的量子京滬幹線連線北京與上海，貫穿濟南、合肥等地，是千公里級高可信、可擴展的廣域光纖量子通信網路，屬世界首例。
如果說“京滬幹線”像連線地面每個城市、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之“網”織就，海量信息將在其中來去如影，並且“無條件”安全。
“量子科學實驗衛星的發射，表明中國正從經典信息技術的跟隨者，轉變成未來信息技術的並跑者乃至領跑者。”潘建偉說，“我希望它儘快走進每個人的生活，就像計算機曾經做到的一樣，改變世界。”
潘建偉透露，該衛星已完成載荷正樣產品、衛星平台正樣產品研製、整星電測和熱平衡試驗，正在開展發射星集成測試、EMC測試、力學試驗、磁測試等工作。簡而言之，“就是衛星‘硬體’方面準備得差不多啦！”
在科學套用系統方面，現在已完成興隆、南山、德令哈量子通信地面站的驗收測試。此外，德令哈量子通信地面站與衛星有效載荷初樣鑑定件的對接實驗，阿里量子隱形傳態實驗艙驗收也已經完成。衛星上天后，量子通信科學套用系統將在首席科學家的主持下，協調衛星和各大系統，實現預定科學目標。
量子通信
所謂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，是近二十年發展起來的新型交叉學科，是量子論和資訊理論相結合的新的研究領域。
光量子通信主要基於量子糾纏態的理論，使用量子隱形傳態（傳輸）的方式實現信息傳遞。根據實驗驗證，具有糾纏態的兩個粒子無論相距多遠，只要一個發生變化，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態的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態的粒子與傳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）為某種狀態，這個狀態與傳送方的粒子坍塌（變化）後的狀態是對稱的，然後將聯合測量的信息通過經典信道傳送給接收方，接收放根據接收到的信息對坍塌的粒子進行么正變換（相當於逆轉變換），即可得到與傳送方完全相同的未知量子態。
量子糾纏態理論
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並論。安全性-量子通信絕不會“泄密”，其一體現在量子加密的密鑰是隨機的，即使被竊取者截獲，也無法得到正確的密鑰，因此無法破解信息；其二，分別在通信雙方手中具有糾纏態的2個粒子，其中一個粒子的量子態發生變化，另外一方的量子態就會隨之立刻變化，並且根據量子理論，巨觀的任何觀察和干擾，都會立刻改變數子態，引起其坍塌，因此竊取者由於干擾而得到的信息已經破壞，並非原有信息。高效，被傳輸的未知量子態在被測量之前會處於糾纏態，即同時代表多個狀態，例如一個量子態可以同時表示0和1兩個數字， 7個這樣的量子態就可以同時表示128個狀態或128個數字：0~127。光量子通信的這樣一次傳輸，就相當於經典通信方式的128次。可以想像如果傳輸頻寬是64位或者更高，那么效率之差將是驚人的2，以及更高。
這裡進一步解釋一下量子糾纏。量子糾纏可以用“薛丁格貓”來幫助理解：當把一隻貓放到一個放有毒物的盒子中，然後將盒子蓋上，過了一會問這個貓現在是死了，還是活著呢？量子物理學的答案是：它既是死的也是活的。有人會說，打開盒子看一下不就知道了，是的，打開盒子貓是死是活確實就會知道，但是按量子物理的解釋：這種死或者活著的狀態是人為觀察的結果，也就是人的巨觀干擾使得貓變成了死的或者活的了，並不是盒子蓋著時的真實狀態，同樣，微觀粒子在不被“干擾”之前就一直處於“死”和“活”兩種狀態的疊加，也可以說是它既是“0”也是“1”。
量子通信具有高效率和絕對安全等特點，是此刻國際量子物理和信息科學的研究熱點。追溯量子通信的起源，還得從愛因斯坦的“幽靈”——量子糾纏的實證說起。
由於人們對糾纏態粒子之間的相互影響一直有所懷疑，幾十年來，物理學家一直試圖驗證這種神奇特性是否真實。
1982年，法國物理學家艾倫·愛斯派克特（Alain Aspect）和他的小組成功地完成了一項實驗，證實了微觀粒子“量子糾纏”（quantum entanglement）的現象確實存在，這一結論對西方科學的主流世界觀產生了重大的衝擊。 從笛卡兒、伽利略、牛頓以來，西方科學界主流思想認為，宇宙的組成部份相互獨立，它們之間的相互作用受到時空的限制（即是局域化的）。 量子糾纏證實了愛因斯坦的幽靈——超距作用（spooky action in a distance）的存在，它證實了任何兩種物質之間，不管距離多遠，都有可能相互影響，不受四維時空的約束，是非局域的（nonlocal），宇宙在冥冥之中存在深層次的內在聯繫。
在量子糾纏理論的基礎上，1993年，美國科學家C.H.Bennett提出了量子通信（Quantum Teleportation）的概念。量子通信是由量子態攜帶信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實現保密通信過程。量子通信概念的提出，使愛因斯坦的“幽靈（Spooky）” ——量子糾纏效益開始真正發揮其真正的威力。
1993年，在貝內特提出量子通信概念以後，6位來自不同國家的科學家，基於量子糾纏理論，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳送的方案，即將某個粒子的未知量子態傳送到另一個地方，把另一個粒子製備到該量子態上，而原來的粒子仍留在原處，這就是量子通信最初的基本方案。量子隱形傳態不僅在物理學領域對人們認識與揭示自然界的神秘規律具有重要意義，而且可以用量子態作為信息載體，通過量子態的傳送完成大容量信息的傳輸，實現原則上不可破譯的量子保密通信。
1997年在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸的只是表達量子信息的“狀態”，作為信息載體的光子本身並不被傳輸。
經過二十多年的發展，量子通信這門學科已逐步從理論走向實驗，並向實用化發展，主要涉及的領域包括：量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等。
具體內容
量子通信系統,按其所傳輸的信息是經典還是量子而分為兩類。前者主要用於量子密鑰的傳輸，後者則可用於量子隱形傳態和量子糾纏的分發。所謂隱形傳送指的是脫離實物的一種“完全”的信息傳送。從物理學角度，可以這樣來想像隱形傳送的過程：先提取原物的所有信息，然後將這些信息傳送到接收地點，接收者依據這些信息，選取與構成原物完全相同的基本單元，製造出原物完美的複製品。但是，量子力學的不確定性原理不允許精確地提取原物的全部信息，這個複製品不可能是完美的。因此長期以來，隱形傳送不過是一種幻想而已。
1993年，6位來自不同國家的科學家，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳態的方案：將某個粒子的未省量子態傳送到另一個地方，把另一個粒子製備到該量子態上，而原來的粒子仍留在原地。其基本思想是：將原物的信息分成經典信息與量子信息兩部分，它們分別經由經典通道與量子通道傳送給接收者。經典信息是傳送者對原物質進行某一種測量而獲得的，量子信息是傳送者在測量里未提取的其餘信息；接收者在獲得這兩種信息之後，就可以製備出原物量子態完全複製品。這個過程中傳送的僅僅是原物質的量子態，而不是原物本身。傳送者甚至可以對這一個量子態一無所知，而接收者是將別的粒子處於原物的量子態上。
在這個方案中，糾纏態的非定域性起著至關重要的作用。量子力學是非定域的理論，這一點已被違背貝爾不等式的實驗結果所證實，因此，量子力學展現出許多反直觀的效應。在量子力學中能夠以這樣的方式製備兩個粒子態，在它們之間的關聯不能被經典地解釋，這樣的態稱為糾纏態，量子糾纏指的是兩個或多個量子系統之間的非定域非經典的關聯。量子隱形傳態不僅在物理學領域對人們認識與揭示自然界的神秘規律具有極其重要意義，而且能用量子態作為信息載體，通過量子態的傳送實現大容量信息的傳輸，實現原則上不可破譯的量子保密通信。
乙地的光子上。實驗中傳輸的只是表達量子信息的“狀態”，作為信息載體的光子本身並沒有被傳輸。邇來，潘建偉及其合作者在如何提純高品質的量子糾纏態的研究中又取得了新突破。為了進行遠距離的量子態隱形傳輸，往往需要事先讓相距遙遠的兩地共同擁有最大量子糾纏態。但是，由於存在各種不可避免的環境噪聲，量子糾纏態的品質會隨著傳送距離的增加而變得越來越差。因此，如何提純高品質的量子糾纏態是此刻量子通信研究中的重要課題。
國際上許多研究小組都在對這一課題進行研究，並提出了一系列量子糾纏態純化的理論方案，但是沒有一個是能用現有技術實現的。後來潘建偉等人發現了利用現有技術在實驗上是可行的量子糾纏態純化的理論方案，此刻原則上解決了時下在遠距離量子通信中的根本問題。這項研究成果受到國際科學界的高度評價，被稱為“遠距離量子通信研究的一個飛躍”。
套用前景
量子通信技術套用前景廣闊
近年來，網路信息安全問題日益加劇了人們的憂慮和關注，隨著量子計算技術的快速發展，傳統保密通信技術自身的安全性也將面臨挑戰。量子通信作為能夠提供無條件安全性保證的信息安全解決方案受到世界各國政府、學術界和產業界的廣泛關注。基於量子密鑰分發的保密通信作為量子通信領域理論和套用研究的熱點，在技術研究、試點套用和產業化等方面發展迅速。中國在量子通信領域的研究和套用也取得了一系列重要進展，與國際發展水平基本保持同步。
信息安全威脅山雨欲來，量子通信技術異軍突起
隨著電子商務、移動支付和網際網路金融等新興業務的蓬勃發展，通信與網路技術的觸角已經深入到社會經濟生活的各個角落。近年來不斷曝光的監控竊聽醜聞和用戶隱私泄露事件進一步加劇了人們對於網路信息安全的憂慮與關注。傳統加密技術通過算法和密碼加解密在“明文”與“密文”間進行轉換，以保護敏感信息的私密性和完整性，由算法的計算複雜度保證密碼的安全性。量子計算技術的快速發展將對計算安全性構成挑戰，由於量子計算巨大的信息攜帶量和高效的並行處理能力，能夠非常快速地對密文進行計算破解，將對網際網路信息安全的基礎造成嚴重威脅。
有矛必有盾，量子物理學在向我們展現量子計算巨大威力的同時，也為我們提供了無條件安全的保密通信方式——量子通信。量子通信是利用量子疊加態和糾纏效應進行信息傳遞的新型通信方式，基於量子力學中的不確定性、測量坍縮和不可克隆三大原理提供了無法被竊聽及計算破解的絕對安全性保證，主要分為量子隱形傳態和量子密鑰分發兩種。量子隱形傳態基於量子糾纏對分發與貝爾態聯合測量，實現量子態的信息傳輸，其中量子態信息的測量和確定仍需要現有通信技術的輔助。量子隱形傳態中的糾纏對製備、分發和測量等關鍵技術有待突破，目前處於理論研究和實驗探索階段，距離實用化尚有較大差距。量子密鑰分發，也稱量子密碼，藉助量子疊加態的傳輸測量實現通信雙方安全的量子密鑰共享，再通過一次一密的對稱加密體制，即通信雙方均使用與明文等長的密碼進行逐比特加解密操作，實現無條件安全的保密通信。經過近30年的發展，量子密鑰分發從理論協定到器件系統初步成熟，目前已有小規模的試點套用和初步產業化趨勢。以量子密鑰分發為基礎的量子保密通信成為未來保障網路信息安全的一種非常有潛力的技術手段，是量子通信領域理論和套用研究的熱點。
量子密鑰分發提供安全密鑰共享，實現較短距離低速保密通信
在量子密鑰分發中，通信雙方首先對單光子進行隨機的偏振態調製和測量，之後根據調製和測量結果進行協商、糾錯和信息處理，最終獲得共享的量子密鑰。由於單光子的隨機偏振具備量子疊加態的特徵，任何竊聽行為都將導致量子態的坍縮和信道誤碼率的上升從而被通信雙方察覺。其密鑰傳輸的安全性基於物理特性和編碼協定，不依賴計算複雜度，從而也排除了對於密碼進行計算破解的可能性。在量子密鑰分發系統中，單光子源尚不成熟，集成誘騙態調製的弱相干脈衝源是現實選擇，而光子探測器和隨機數生成器等器件性能對於密鑰生成速率與傳輸距離等性能指標也具有重要影響。量子密鑰分髮結合一次一密加密可以在理論和協定層面提供無條件安全性，但實際器件和系統的非理想特性仍然會成為可能被竊聽者利用的安全漏洞，不斷檢驗和完善量子密鑰分發系統的現實安全性也是量子通信技術發展的重要方向。
由於量子密鑰分發系統在協定原理、組網方式、器件性能和現實安全性等方面存在局限，商用化系統的安全密鑰速率僅為10kbit/s量級，現網傳輸距離100km左右，實驗報導的最高密鑰速率為2Mbit/s量級（約40km傳輸距離時），光纖傳輸距離最長達200km（約1kbit/s密鑰速率時）。量子密鑰分發目前主要面向城域範圍的語音加密套用，隨著協定、器件和系統技術的發展與改進，有望提高密鑰速率和傳輸距離，逐步擴展到幹線高速傳輸的加密套用。
量子通信套用試點逐步開展，國內外產業化尚處初級階段
量子密鑰分發保密通信的高安全性所蘊含的戰略意義和經濟價值廣受各國政府、學術界與產業界的重視，近年來試點套用和產業化呈現快速發展趨勢。
2003年，美國DARPA資助哈佛大學建立了世界首個量子密鑰分發實驗系統和量子保密通信組網套用。此後，歐美日多國相繼建成了瑞士量子、東京QKD和維也納SECOQC等量子保密通信實驗網路，演示和驗證了城域組網、量子電話、選舉投票保密等方面的套用。2013年，美國獨立研究機構Battelle公布了環美量子通信骨幹網路項目，計畫採用分段量子密鑰分發，結合安全授信節點進行密碼中繼的方式為谷歌、微軟、亞馬遜等網際網路巨頭的數據中心之間的通信提供量子安全保障服務。
國內的量子保密通信試點套用起步稍晚但發展迅速。2007年中科大在北京打通了國內首個光纖量子電話，之後相繼在北京、濟南、安徽蕪湖與合肥等地建立了多個城域量子保密通信示範網、金融信息量子保密通信技術驗證專線以及關鍵部門間的量子通信熱線。2014年，量子保密通信京滬幹線項目通過評審並開始建設，計畫建成北京和上海之間，基於安全授信節點密碼中繼，距離超2000km的國際首個長距離光纖量子保密通信骨幹線路。
量子通信的試點套用催生了一批由科研機構孵化的科技產業實體。其中具有代表性的包括美國MagiQ公司和瑞士IDQ公司等，能夠提供初步商用化的量子密鑰分發系統器件、終端設備和整體套用解決方案。在國內，中科大在量子通信產業化方面表現突出，其衍生與合作建立了安徽量子通信技術有限公司、安徽問天量子科技股份有限公司和山東量子科學技術研究院有限公司，進行量子保密通信前沿研究成果向套用技術和商用化產品的轉化，國家對於量子通信的專項投入和政策扶持為其快速發展注入了強勁動力。
量子中繼目前尚不成熟，星地量子通信成為廣域組網的候選方案
量子態的傳輸損耗和退相干效應隨距離呈指數增長，真正意義上的量子通信廣域組網必須藉助量子中繼技術。現階段，量子態的控制存儲和糾纏純化等技術尚不成熟，量子中繼短期內難以突破。星地量子通信通過發射近地空間量子衛星，在星地之間進行量子糾纏對分發或量子密鑰傳輸，能夠為廣域量子通信提供量子糾纏源和密鑰中繼，成為下一階段廣域量子通信組網的可行技術方案。
星地量子通信不受地形地貌限制，具有覆蓋面廣、機動性好、生存能力強等優點，同時，外層空間傳輸損耗和退相干效應很小，能夠顯著拓展量子密鑰分發的組網距離。在前期大量自由空間量子通信研究和實驗驗證的基礎上，世界各國都在準備或已經開展了星地量子通信計畫，其中包括美國NASA的PhoneSat計畫、奧地利研究機構聯合歐空局開展的“Space-QUEST實驗計畫”等。在國內，2013年中科院設立戰略先導專項“量子科學實驗衛星計畫”，由中科大、中科院多家院所和航天八院共同攻關，計畫於2016年前後發射全球首顆量子通信實驗衛星，初步構建我國廣域量子通信體系。
量子通信技術戰略地位明顯，未來發展與套用前景光明
沒有網路安全就沒有國家安全。在網路信息安全威脅日益嚴峻的大背景下，量子通信作為能夠在物理層提供無法被竊聽和破解的絕對安全信息傳輸的通信技術手段，對於網路安全和國家安全的戰略意義不言而喻。現階段，量子通信的主要套用形式是基於量子密鑰分發的保密通信，面向城域範圍的語音和低速數據加密套用。未來，隨著協定、器件和系統技術的演進，量子中繼和星地量子通信等關鍵技術的突破與發展，其系統性能和現實安全性將不斷獲得提升，量子通信將成為網路信息安全領域的戰略制高點。據公開資料分析，我國在量子通信領域的技術研究及產業套用與國際發展基本保持同步，未來在國家專項、政策扶植以及產學研用等業界的共同努力下，有望實現超越引領。
