墨子号畅想：通信界“天下无贼”

最快再过10~15年，网上银行、手机支付、信用卡等可能就不怕被盗号了。

我国于16日1时40分左右成功发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，它成功入轨后的各项实验必将推动量子通信的发展。“量子通信是目前最安全的一种技术，它是以量子力学原理为基础的，通过技术手段也不可能窃取破译。”中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、中国科技大学上海研究院副研究员张文卓告诉第一财经记者。

“墨子号”升空

“墨子号”的一大任务就是要建立从卫星到地面的量子密钥分发，设置地面和卫星之间的一个超远距离的量子通道高精度采集的协助、跟踪和瞄准系统，进行量子卫星和地面站点之间的密钥分配，并进行无条件安全的量子通信实验。

在量子保密通信中，由于量子具有不可分割、不可克隆和测不准的特性，所以一旦存在窃听就必然会被发送者察觉并规避。目前金融、政务系统已开始使用量子通信。

“量子卫星将让中国在防御黑客方面走在世界前列。”美国《华尔街日报》16日发表评论说。

张文卓还向第一财经记者独家透露：“未来我们计划在中国空间站上部署量子通信技术。”

领跑量子通信

“‘墨子号’的发射是一个自信‘星’!”在酒泉观摩完整个发射过程后，中国科学院上海微系统与信息技术研究所超导实验室副主任、上海赋同科技有限公司总经理尤立星博士有些感慨。

在尤立星看来，国内研究团队尽管在量子通信技术方面起步较晚，但是发展非常之快，工作节奏和团队执行能力相较国外研发团队都要快很多，加之国家相关部门和中科院的大力支持，使得国内的量子通信技术走在世界前沿，“量子卫星是量子通信技术全球化必不可少的环节。”

张文卓也很激动，“虽然与其他火箭发射没啥区别，但是这里面凝聚了团队里一百多人的心血。为这一刻，他们等了十多年。”

2016年7月30日，酒泉卫星发射中心，太阳帆板展开试验准备

究竟什么是量子通信技术?在长篇科幻小说《三体》中，人类在外星人的帮助下才实现量子通信，让太空飞船与地球实时通信。但《三体》中的智子实属作者的科幻想象，真实的量子通信并不是用来传递加密后的信息，而是应用于量子密钥分发。

“量子通信的核心并非改变通信或者加密方式本身，而是提供一个更加安全的密钥传输方式。”尤立星向第一财经记者解释道。

事实上，“墨子号”将分发中国和欧洲中继站之间的量子加密的密钥，若一切顺利，可使身处不同大洲的当事人拥有前所未有的通信安全水平。此外，“墨子号”的成功发射也意味着中国已成为首个构建天地一体化量子保密通信和科学实验体系的国家，由中国布局的量子通讯网络即将横跨两个大洲，实现卫星和地面之间的量子通信。

张文卓表示，量子通信卫星是在不同的空间使用同一个系统的工作原理，利用高速相干激光将两个不同大洲的基站进行连接。如果此次发射的中国量子通信卫星实验成功，那么“墨子号”将是人类历史上的首创，也是世界上第一个实现跨大陆量子密钥分配的网络。

之所以要发射量子卫星，是因为基于卫星等航天器的空间量子通信，有着地面光纤量子通信网络无法比拟的优势

“仅仅发射一颗卫星是不够的，只有形成星座才能建构起网络，未来肯定还要发很多颗卫星。” 张文卓说。

“墨子号”将进行3个月左右的在轨测试，然后转入在轨运行阶段。其间将开展三大类实验。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。

“首批研究数据有望在今年年底前采集完毕。”张文卓说，“第一颗卫星很重要，将会证明我们的研究方向是否可行，比如量子密钥的生成只有达到一定的速度才有实际应用价值。”

无条件保密

通常而言，信息的加密需要使用一连串数字组成的密钥确保安全，但在传输过程中若被窃听就可能被破译。而量子密钥具有不可克隆的特质，基于量子力学的测不准原理，如果密钥在传输过程中遭遇窃听，收发双方就会知道，从而放弃使用不安全的密钥。

目前在中国、欧洲和美国，基于光纤的量子密钥分配网络已经大规模应用，量子力学通信理论上就是用来替代现代的光纤通信，进一步提高安全性。

“就量子信息产业研究而言，量子通信在地面已经做过很多次实验，相对比较成熟，但在太空中实现量子通信很少，难点在于要实现远距离的跟踪和瞄准并克服大气扰动。”尤立星表示。

张文卓表示，量子通信中的信号传播载体都是单个的光子，不能被放大，在大气或光纤中传播，光信号会衰减。传输到100多公里的时候，信号就基本衰竭，所以量子通信的距离受到很大限制，要想传得更远，就需要不断建立中继站。而发射量子卫星，光信号仅通过10公里左右的大气层，信号衰减很少，可以将通信范围扩展到全球的距离。

简单来说，量子卫星起到了一个“配钥匙”的作用。量子卫星将量子密钥发送给两个地面站，再通过对比，建立最终的绝对安全的量子密钥。拥有相同量子密钥的两个地面站，可以把使用量子密钥加密的信息，通过邮件、物联网和无线电话等传统的方式传递，而不用担心信息会泄露。

量子卫星首席科学家潘建伟院士介绍称：“量子通信的安全性所基于的是量子物理基本原理——单光子的不可分割性和量子态的不可复制性所保证的信息不可窃听和不可破解。从原理上确保身份认证、传输加密以及数字签名等无条件安全，可以从根本上永久性解决信息安全问题。”

不过，张文卓表示：“目前量子通信安全技术还只能用于光通信，光纤等‘主干道’上的传输可以进行保密，手机的量子密码技术还没有开发出来，对于无线通信、WiFi技术尚不可用。”

他还透露：“‘京沪干线’大尺度光纤量子通信骨干网工程计划于今年下半年交付。”

“量子通信未来的实际应用涉及银行间金融数据传递的安全性、军方保密视频会议等方方面面，只要现在通信用得到的地方就都能够用量子技术进行保密。”公安部第三研究所副研究员唐前进向第一财经记者表示。

“量子互联网”有多远

中国的量子空间卫星将为全球量子通信系统提供一个试验台，这也使得此次发射受到全世界的瞩目。“中国在基础量子实验及其应用领域都做得非常出色。在下一次量子革命中，中国无疑是一个主要参与者。”维也纳大学物理学教授塞林格(Anton Zeilinger)表示。

“墨子号”的发射让“量子互联网”的未来充满希望。“如果此次量子科学实验卫星上的实验能够获得成功，那么它肯定会为最终的‘量子互联网’打下坚实基础。”诺贝尔物理学奖得主、美国伊利诺伊大学香槟分校物理学教授莱格特(Anthony J. Leggett)表示。

据潘建伟介绍，中国力争到2030年左右率先建成全球化的广域量子保密通信网络，并在此基础上，构建信息充分安全的“量子互联网”。

“量子互联网”是一种基于量子力学原理建立起来的新型互联网，能够实现绝对安全的网络通信。在此基础之上，量子手机、量子签章、量子测量仪的概念也开始出现。

未来出现的场景可能是在手机中植入量子加密芯片，用来接收并存储密钥。人们只需要将手机和量子密钥分发机连接，就能够实现保密通信。“这还有待网络基础设施建设的改造及通信标准的制定，预计未来10~15年内有望实现。”张文卓表示。

不过，“量子互联网”是否将成为未来全球通信的潮流，并进入大众生活，仍需考虑成本问题。

在尤立星看来，“墨子号”的发射更多是全球化量子通信科学实验可行性的验证，离实用仍有一段距离，“量子通信已经是量子信息技术中最接近实用化的了，但成本依旧高昂，目前量子手机等应用大多是概念炒作。”