從衛(wèi)星到地面，量子密鑰分發(fā)；從地面到衛(wèi)星，量子隱形傳態(tài)

“墨子號”，搶占量子科技創(chuàng)新制高點(diǎn)

日前，中國科學(xué)院在京召開新聞發(fā)布會對外宣布，“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星提前并圓滿實(shí)現(xiàn)全部三大既定科學(xué)目標(biāo)，為我國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗(yàn)前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國家天文臺、紫金山天文臺、南京天文儀器有限公司、國家空間科學(xué)中心等，在中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，利用“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。兩項(xiàng)成果于8月10日同時(shí)在線發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。這是繼先前在國際上率先實(shí)現(xiàn)千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)的研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志之后，我國科學(xué)家利用“墨子號”量子衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的空間量子物理研究另外兩項(xiàng)重大突破。

中國科學(xué)院院長、黨組書記白春禮表示，“墨子號”開啟了全球化量子通信、空間量子物理學(xué)和量子引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的大門，為我國在國際上搶占了量子科技創(chuàng)新制高點(diǎn)，成為國際同行的標(biāo)桿，實(shí)現(xiàn)了“領(lǐng)跑者”的轉(zhuǎn)變。

量子保密通信是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式

通信安全是國家信息安全和人類經(jīng)濟(jì)社會生活的基本需求。千百年來，人們對于通信安全的追求從未停止。然而，基于計(jì)算復(fù)雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù)，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數(shù)學(xué)和計(jì)算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。

潘建偉說：“通過量子通信可以解決這個(gè)問題。也就是說，把量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合，利用量子調(diào)控技術(shù)，用一種革命性的方式對信息進(jìn)行編碼、存儲、傳輸和操縱，從而在確保信息安全、提高運(yùn)算速度、提升測量精度等方面突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。”

通常認(rèn)為，量子通信主要研究內(nèi)容包括量子密鑰分發(fā)（量子保密通信）和量子隱形傳態(tài)。

量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。

“通俗來講，量子密鑰分發(fā)，就好比一個(gè)人想要傳遞秘密給另外一個(gè)人，需要把存放秘密的箱子和一把鑰匙傳給接收方。接收方只有用這把鑰匙打開箱子，才能取到秘密。沒有這把鑰匙，別人無法打開箱子，而且一旦這把鑰匙被別人動(dòng)過，傳送者會立刻發(fā)現(xiàn)，原有的鑰匙作廢，再給一把新的鑰匙，直到確保接收方本人拿到。”潘建偉說。

那么，為什么鑰匙被別人一碰，就能立刻被知曉呢？

因?yàn)?，科學(xué)家利用量子有多個(gè)疊加態(tài)的原理，用量子作為密鑰。這樣一來，一旦有人試圖截獲或測試量子密鑰，就會改變量子狀態(tài)，科學(xué)家便能立刻從改變中發(fā)現(xiàn)有人動(dòng)了鑰匙。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性，就能實(shí)現(xiàn)無條件安全的通信方式。

量子通信的另一重要內(nèi)容量子隱形傳態(tài)，是利用量子糾纏特性可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身，通過隱形傳輸實(shí)現(xiàn)信息傳遞。遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)是實(shí)現(xiàn)分布式量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元。