2017 年 8 月 10 日，国际权威学术期刊《自然》在线 发表了中国量子科学研究团队的重要成果。中国科学家们 利用量子科学实验卫星“墨子号”，在国际上首次成功实 现了卫星和地面之间的量子密钥分发和量子隐形传态。再 加上今年 6 月成功实现千公里级量子纠缠分发，中国科学 家们提前完成了“墨子号”量子卫星预先设定的三大科学目标。

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一、科研团队提前一年完成三大科学目标

       被称为“幽灵粒子”的量子，是指构成物质的最小单元。分子、原子、光子等微观粒子都是量子的表现形态。由于量子具有叠加和纠缠等神奇特性，量子理论已经催生了很 多革命性的技术，比如晶体管、激光器，甚至最前沿的量 子通信和量子计算，而量子科学研究也成为国际最前沿的 探索领域。

       2016 年 8 月 16 日，由我国科学家自主研制的世界首 颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射，瞄准了量子研 究领域最前沿的三大科学目标：千公里级量子纠缠分发、 量子密钥分发、量子隐形传态。

       量子卫星首席科学家中科院潘建伟院士介绍，这三大 科学目标，科研团队原本预计在两年里面完成，但没想到 一年的时间就全部完成，而这也为我国继续引领世界量子 通信技术发展奠定了坚实的基础。

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二、“墨子号”的神奇使命

      “墨子号”的这三大实验有何意义？未来会对我们的 生活带来哪些改变呢？

       量子密钥分发：通信安全是国家信息安全和人类经济 社会生活的基本需求。与经典通信不同，由于量子具有不 可分割和不可复制等特性，量子通信被认为是目前已知不 可窃听、不可破译的绝对安全的通信方式。此次科研团队 成功实现星地之间千公里级的量子密钥分发，打破此前最 远纪录，并大幅提升密钥的传输效率。

        应用：通过量子卫星实现远距离保密通信。由于外太 空光信号损耗非常小，而且卫星具有方便覆盖全球的独特优势，量子卫星被认为是建立全球量子保密通信网关键的 技术基础。潘建伟院士介绍，以星地量子密钥分发为基础， 将卫星作为中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享， 意味着遥远两地的用户通过共享量子密钥，就能够实现绝 对安全的保密通信。

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       量子纠缠分发：量子纠缠是奇特的量子力学现象。通 俗地说，两个处于纠缠状态的量子就像有“心灵感应”， 无论相隔多远，一个量子状态变化，另一个也会相应地发 生改变。爱因斯坦称之为“鬼魅般的远距作用”。

       中国的科学家们通过“墨子号”卫星，从太空将一对 相互“纠缠”的量子“分发”到青海德令哈和云南丽江两 个地面站，发现在两个相距超过 1200 公里的实验站之间， 量子的“纠缠效应”仍然有效，并通过数千次对量子的实验， 检验了这一成果。

       应用：验证超远距离作用为量子网络和远距离通信提 供实验手段。专家表示，在地面的两个地点之间建立量子 纠缠，可为未来的量子网络和远距量通信研究提供一个非 常好的实验手段。这种技术也为未来在空间尺度检验广义相 对论，为未来探索物理学的领域提供一种很好的技术手段。 量子隐形传态：时空穿越一直是人类的梦想。在量子

       世界中，这种时空穿越的现象却真的存在，这就是“墨子号” 的第三个实验——量子隐形传态。

       量子隐形传态，是一种全新的通信方式。通俗来讲， 就是将甲地的某一粒子的量子态信息在乙地的另一粒子上 还原出来，就好像进行了一场“星际穿越”，但粒子本身 并未被传送。而我国科学家，通过“墨子号”量子卫星， 首次实现千公里级的量子隐形传态。

       应用：量子世界的“时空穿越”为空间量子物理学等 研究奠定基础。和量子密钥分发的保密通信等实用性前景 不一样，量子隐形传态还处于非常前沿的科学探索阶段。 此次我国科学家成功实现地星之间的量子隐形传态，为未来开展空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了 可靠的技术基础。

三、未来一年将开展多项空间实验

       “墨子号”量子卫星的设计寿命为两年。未来一年时间， “墨子号”将进行哪些探索性的空间科学实验呢？

       潘建伟院士介绍，目前我国已经跟奥地利、德国、意 大利等国家进行合作，可能从下个月开始探索欧洲和亚洲 的洲际密钥分发的可能性。

        此外，“墨子号”是处于距地球 500 公里轨道的低轨 卫星，单颗卫星无法直接覆盖全球。为了让量子保密通信 技术更好地走向实用，量子卫星必须突破白天远距离传输 的关键技术，实现 24 小时全天时通信，并通过像北斗卫星 一样的“星群”组网方式，构建天地一体化的全球量子保 密通信网络。

       潘建伟院士表示：希望在“十三五”末期能够发射一颗、 两颗乃至数颗应用型的量子实验卫星，然后把这个技术推 向极致，能够尽快地在一些重要的部门加以应用和推广。

​资料来源：《大学科普》2017年第三期

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