超乎想象的量子通信，看了这些你就知道量子卫星有多厉害

文/科技富能量创作团队 杨群

古往今来，人类一直在寻找绝对安全的加密方法。古时候，人们通过对信件滴蜡盖上火印防止被偷看；到了近代，特别是战争时期，各国之间最重要的战场就是情报之战；而现代，数字信息彻底改变了我们的生活。

但人类无论是对信息渠道加强管理，还是对信息本身进行加密，还是解决不掉信息泄密问题。直到量子通信的提出，至少从理论上可以保证信息的绝对安全！

量子特性是量子通信安全的基石

量子通信为何有对信息加密绝对安全的自信，根本还是量子不可分割和不可克隆的特性决定的。不可分割指的是量子是构成物质的最小单位。不可克隆是因为要克隆一个粒子状态前，要先测量状态，但量子态十分脆弱，任何测量都会让量子态发生改变，导致量子态无法克隆。

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量子是现代物理的重要概念，来自拉丁语quantus，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”。在物理学中常用到量子的概念，指一个不可分割的基本个体。

量子力学最神秘的就是叠加态，著名“薛定谔的猫”理论将量子叠加态表述为“一只猫可以同时既是死的又是活的状态”。薛定谔本意是认为这很荒谬，用它来讽刺量子物理学，没想到更讽刺的是，薛定谔的猫如今却成了量子物理的代名词。

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“薛定谔的猫”理论：当把一只猫放到一个放有毒物的盒子中，然后将盒子盖上，过了一会问这个猫是死是活？量子物理学的答案是：它既是死的也是活的。有人会说，打开盒子看一下不就知道了，是的，打开盒子猫是死是活确实就会知道，但是按量子物理的解释：这种死或者活着的状态是人为观察的结果，也就是人的宏观干扰使得猫变成了死的或者活的了，并不是盒子盖着时的真实状态，同样，微观粒子在不被“干扰”之前就一直处于“死”和“活”两种状态的叠加，也可以说是它既是“0”也是“1”。

量子纠缠就是多粒子的一种叠加态，类似于孙悟空和他的分身，二者无论有多远都可以“心有灵犀”。当两个粒子处于纠缠态时，不论分离多远，对其中一个粒子的量子态做任何改变，另一个会立刻感受到，并作出反应。

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量子纠缠态理论图

理解了这些概念，可以进阶到量子通信了。

量子通信有两个方向，一个是量子隐形传送，就是利用量子纠缠直接传输信息；一个是量子密钥分发，利用量子态不可克隆来做量子密码，给信息加密。通过隐形传送和密钥分发，就可以完成量子的通信过程了。

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是不是脑袋都大了？那我们换个方式来理解一下……

从RSA走向量子通信的必然

当前，我们的社会已经进入到信息社会，每天会产生无数的信息，怎么保证这些信息的安全呢？就是对这些信息进行加密。

加密时，我们把发送的信息（即原文），通过一些变化法则和重要参数，变成看起来毫无意义的乱码（即密文）。接受信息的人，再通过相应的变化法则和重要参数，将密文还原成原文。而这些变化法则和重要参数，就是密钥。

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量子通信系统的基本模型

密钥又分成两种：对称密钥和非对称密钥。对称密钥是加密和解密过程用同一把钥匙，非对称密钥用不同的钥匙。在1976年前，人类一直使用对称密钥来加密信息。但由于对称密钥有分发、保存的麻烦，人类又发明了非对称密钥，又称公开密钥加密。

人类目前数据加密应用最广的是RSA公钥加密算法，它是1977年由美国三位科学家提出。它的可靠性是基于一个数学难题：两个质数的乘积算法计算非常简单，但把乘积因式分解非常困难，数越大，越难解。

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RSA 加密解密过程图解

RSA创始人之一李维斯特当年预测，按照人类当前拥有的计算能力，只有在4万兆年之后，人类才能破解密码。但没想到，仅仅在17年后，来自五大洲的600多位研究人员使用了约1600台计算机，用了八个月时间就解出了这个因式分解。

这是因为RSA会随着计算机计算能力的增强，基于计算机安全性的密码将不再可靠。在量子科学有两大领域，一个是量子通信，一个就是量子计算。如果人类成功研制出量子计算机，那么基于算法的密钥将无密可保，因为量子计算机只需要1秒就可以破解密码。

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因为量子计算机处理的量子信息是一种叠加态，而非传统计算机的0和1二进制。这就使得量子计算机在进行逻辑运算时，可一次得到多种甚至全部的运算结果。

为何要在发射量子卫星？

好了，说了这么多，量子通信终于要进入应用环节了。是不是只要拥有相同两个量子密钥的站，将通过量子密钥加密的信息通过网络传递出去就好了呢？

问题没那么简单！在量子通信里面，信号传播的都是单个的光子，不能被放大。在大气和光钎中传输，光信号会被衰减。传输到100多公里的时候，信号基本衰减的差不多了。

所以量子通信的距离受到很大的限制，想传输的更远，就要建更多的中继站。目前，目前传输最远的是2012年，奥地利维也纳大学蔡林格教授在西非群岛上做的实验，从一个到岛传输到另一个岛上去，距离143公里。

但是一旦发射量子卫星，那就不一样了，光信号只要通过10公里左右的大气层，信号衰减的很少，可以将通信范围拓展到全球距离。

全球首颗量子卫星“墨子”号

在8月16号的凌晨，被命名为“墨子”的科学实验量子卫星被发射升空。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。

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长相有点小萌……

科学家在“墨子”科学家在量子卫星上搭载了自主研发的“三种武器”：一是激光器，生成单个的光量子；二是量子纠缠源，制造出一对对纠缠状态的量子；三是量子密钥通信机和量子纠缠发射机，这两个仪器相当于发射器，都是负责把光量子发射到地面实验站。密钥通信机是一对一，发射单个光量子到单个地面站，纠缠发射机则是一对二，把成对的纠缠光量子分别发射到两个地面站。

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“墨子号”将在卫星与地面之间展开量子密钥分发实验，甚至将在北京和维也纳之间尝试超远距离的洲际量子密钥分发。它还将尝试与地面光纤量子通信网络链接，为未来覆盖全球的天地一体化量子通信网络建立技术基础。

此次量子卫星最难的还是如何精准地定位？从500公里开外的太空上向地面的实验站发射光量子，这是史无前例、世界首次。

首先要把卫星上的光轴和地面实验站的光轴对准，然后再把肉眼根本看不见的光量子从天下打下来。而这个对准精度比普通卫星的对准精度高出了十倍，堪称针尖对麦芒。

未来，中国将构建一个由几十颗量子卫星组成的“璀璨星群”，与地面量子通信干线“携手”，支撑起“天地一体”的量子通信网。

到2030年左右，中国力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络。在此基础上，构建信息充分安全的“量子互联网”，形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统。

对此，我们保持期待和祝福，期待量子通信早日走进普通人生活，祝福中国可以在量子科技时代走在世界的前列。

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