美丽新世界

“薛定谔的猫”其实最安全

——中国“墨子号”成为全宇宙第一颗量子卫星

@Beepee

 作者简介：“85前”，京津冀合作产品，非典型处女座，职业经历横跨科技、影视、互联网，曾担任CCID科技记者、芒果编导、豆瓣电影编辑。《电脑报》《金融博览》特邀作者。

    作为一个北航的毕业生，我看到“量子号”升空的消息，内心颇有些激动。历史值得记住2016年8月16日1时40分。因为就在这一天，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功在酒泉卫星发射中心发射升空。这是量子通信的新标志，更是国家信息安全的里程碑。

    说到量子，恐怕很多人还会想起美剧《生活大爆炸》中谢耳朵最爱用的梗——薛定谔的那只猫。的确，在经典力学无法测量的情况下，量子力学告诉我们说，假如把猫放到有放射性物质的盒子里，它的状态或生或死，只要不打开盒子，你就不会知道结果。而如果你要准确描述猫的状态，那么就是生与死的叠加。因为测不准，所以有不确定性原理。所以，海森堡会飙出那一句：“在因果律的陈述中，即’若确切地知道现在，就能预见未来’，所错误的并不是结论，而是前提。我们不能知道现在的所有细节，是一种原则性的事情。”

        而回到量子通信，其实也就是利用了量子态和量子纠缠效应，产生了信息或密钥传输的新型通信方式。因为测不准，所以无法预测，自然也就保证了密钥分配过程的无条件安全性。其中，所谓的的量子态，就是叠加多概率的状态。

        而纠缠效应，就是因为多个粒子组成系统的状态，无法被分离成单个粒子的状态。而如果你胆敢对一个粒子进行测量，我的乖乖，这可能导致整个系统立刻塌缩，也就影响到另一个、遥远的、与被测量的粒子纠缠的粒子。

    那么，问题来了。如果我不碰粒子仅仅是复制一下，ok不？呵呵，还是不行。因为量子还具有不被克隆的特性，即你无法对于一个未知量子态精确复制，使之与初始量子态完全一致。原理就是粒子的位置与动量不可同时被确定，位置的不确定性越小，则动量的不确定性越大，反之亦然。

       综上可以知道，量子三大特性：不可测、不可分、不可仿。那么，回到量子通信的角度，假如密码一旦中途被第三方获取信息，内容便会改变，因为在量子力学中，测量过程本身会对系统造成影响。这样一来，保证了无法被监控和窃取的绝对安全性。

        此前，全球多个研究机构都曾致力于量子通信网的研发，美国和欧洲已成立了SECOQC量子通信网络。虽然，我国起步晚，但是发展迅猛，特别是来自中国科学技术大学的潘建伟教授科研团队，在全通型量子通信网方面取得了领先地位。2004年，该团队首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输。并在多个地方建立城域量子通信示范网。

       在潘教授看来，“墨子号”发射后，如果效果达到预期，也仅仅完成了万里长征的第一步。之后，我国还需发射“墨子二号”“墨子三号”等，形成“量子星群”，才能逐步建立量子通信网络，真正解决国防、金融、政务等多领域的信息安全问题。也正因如此，量子通信一直得到国际上的高度重视，各国间的竞争非常激烈。

       目前发射的“墨子号”量子卫星，由我国自主研发，突破了一系列高新技术，如高精度跟瞄、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等工程级关键技术，卫星设计寿命为两年。“墨子号”主要是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。

       话说两千多年的墨子，在研究小孔成像的时候，恐怕没有想到自己竟然成为了量子卫星的代言人。而如今他代言的量子卫星开始星际旅行，其实背后还是离不开国家的支持。据《华尔街日报》说，美国、欧洲、日本等全球各地科学家在竞赛中输给中国，除了技术水平层面，还需要考虑国家支持力度。据了解，在今年3月公布的中国五年经济规划中，推动量子技术发展被列为战略重点。虽然北京方面没有披露它为量子研究以及建造此次发射的这颗量子卫星花费了多少钱。但中国2015年用于基础科学研究的资金达到1010亿美元，远远高于2005年时的19亿美元。这些资金中有一部分就用于量子物理领域。

        所以，量子卫星也体现了背后的国家竞争力。而与老百姓关系最密切的商用，恐怕还需要再等上一段时间。因为科学家还要进行星地之间量子密钥分发实验，探索远距离传输时大气层、压力等方面的因素。在完成这一点后，科学家还需要构建量子通信网络。因为量子密钥分发说到底还是点到点的技术，所以唯有突破组网难关，才有机会商用。假如利用量子卫星充当中继，可以实现任意两个地面站之间的量子密钥分发。那么，胜利的曙光就可能会照进来。

        按照这个步骤，所谓的量子手机，量子计算机、肯定还是关于未来的预言及猜测。潘教授认为，使用量子卫星，点对点传输，可以做到1秒钟传送100K密钥数据；以后提高到1兆或10兆密钥，这将极大推动量子通信实用化。只要在等5年，我们就可以得到量子卫星“星座”，“像北斗一样，很多颗量子卫星在空中，将改变我们在信息安全上非常被动的局面。”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。

        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。