昨日1時40分，酒泉衛星發射中心，長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星發射升空。新華社記者 金立旺 攝
昨日淩晨1點40分，中國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空。這將使中國在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，構建天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。
4個地面系統與量子衛星構成一體化系統
量子衛星2011年12月立項，是中國科學院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一，其主要科學目標是借助衛星平臺，進行星地高速量子密鑰分發實驗，並在此基礎上進行廣域量子密鑰網路實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。
工程還建設了包括南山、德令哈、興隆、麗江４個量子通信地面站和阿裏量子隱形傳態實驗站在內的地面科學應用系統，與量子衛星共同構成天地一體化量子科學實驗系統。
兩年設計壽命完成四大任務
量子衛星首席科學家潘建偉院士向媒體介紹，量子通信的安全性基於量子物理基本原理，單光子的不可分割性和量子態的不可複製性保證了資訊的不可竊聽和不可破解，從原理上確保身份認證、傳輸加密以及數字簽名等的無條件安全，可從根本上、永久性解決資訊安全問題。
據新華社報道，量子衛星將在兩年的設計壽命中完成四大任務：星地高速量子密鑰分發實驗；廣域量子通信網路實驗；衛星向相距1200公里的地面站分發糾纏的光子，在更宏大的尺度上測試被愛因斯坦稱為“詭異的”量子糾纏現象；還計劃在“世界屋脊”西藏阿裏和衛星之間實現量子隱形傳態實驗。
潘建偉表示，“墨子號”發射以後，如果效果達到預期，下一步還計劃發射“墨子二號”“墨子三號”。記者賈世煜
■ 焦點
量子衛星將實驗星地“安全”通信
在量子世界中，一個物體可以同時處在多個位置，一隻貓可以處在“死”和“活”的疊加狀態上；所有物體都具有“波粒二象性”，既是粒子也是波；兩個處於“糾纏態”的粒子，即使相距遙遠也具有“心電感應”，一個發生變化，另一個會暫態發生相應改變……
正是由於量子具有這些不同於宏觀物理世界的奇妙特性，才構成了量子通信安全的基石。在量子保密通信中，由於量子的不可分割、不可克隆和測不準的特性，所以一旦存在竊聽就必然會被發送者察覺並規避。
“傳統的資訊安全都是依賴於複雜的演算法，只要計算能力足夠強大，再複雜的保密演算法都能夠被破解。量子通信能做到絕對安全，是由量子自身的特性所決定的，計算能力再強也破解不了，因此它是革命性的，可從根本上、永久性解決資訊安全問題。”量子衛星首席科學家潘建偉院士説。
在量子通信的國際賽跑中，中國屬於後來者。經過多年的努力，中國已經躋身於國際一流的量子資訊研究行列，在城域量子通信技術方面也走在了世界前列，建設完成合肥、濟南等規模化量子通信城域網，“京滬幹線”大尺度光纖量子通信骨幹網也即將竣工。
然而，這只是開始。“在城市範圍內，通過光纖構建城域量子通信網路是最佳方案。但要實現遠距離甚至全球量子通信，僅依靠光纖量子通信技術是遠遠不夠的。”潘建偉説。
他解釋説，因為量子的資訊攜帶者光子在光纖裏傳播一百公里之後大約只有1‰的信號可以到達最後的接收站，所以光纖量子通信達到百公里量級就很難再突破。但光子穿透整個大氣層後卻可以保留80%左右，再利用衛星的轉机，就可以實現地面上相距數千公里甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信。
另外，量子理論的奇妙之處在實驗室裏被不斷重復檢驗，但卻從未在太空尺度驗證過。量子理論的各種奇異現象在太空中是否還存在？量子糾纏和隱形傳輸是否可以延伸到星地之間？這些都需要衛星去驗證。
據新華社
■ 揭秘
1 “四種武器”如何塊頭變小
目前，國際上還沒有一個國家將量子科學實驗送入空間，量子衛星的研製沒有任何經驗可循，過程充滿了困難和挑戰。
600多公斤重的量子衛星帶有四個有效載荷：量子密鑰通信機、量子糾纏源、量子糾纏發射機、量子實驗控制與處理機，它將在距離地面500公里高的太陽同步軌道，大約90分鐘繞地球一圈。
同時，在地面建設了科學應用系統，包括1個中心——合肥量子科學實驗中心；4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站；1個平臺——阿裏量子隱形傳態實驗平臺。
天地量子科學實驗非常複雜，對天地實驗設備的要求也異乎尋常的高。潘建偉坦言，衛星研製過程中，最困難的環節就是有效載荷，“攻克了許多技術難題才拿下”。
比如量子糾纏源，它只有機頂盒的大小，作用卻非常關鍵，它能夠産生糾纏光，這是量子衛星在空中做各種實驗的源頭。平時實驗室裏糾纏源的體積非常巨大，研究人員不僅把它做到了小型化，還通過一系列的創新讓它實現了滿足空間環境要求，在國際上是首次實現。
2 星地對接如“針尖對麥芒”
量子衛星升空後，衛星與地面站之間的互動才是重頭戲。
中國科學家利用已有的天文觀測臺站，在雲南麗江、新疆烏魯木齊、青海德令哈、河北興隆建設了量子通信地面站。而量子隱形傳態實驗需要從地面向衛星發射光子，為了避免大氣湍流的影響，空間量子隱形傳態實驗站建在了海拔5100米的西藏阿裏。
潘建偉説：“我們的實驗面積遍佈60萬平方公里，這形成了人類有史以來最大的‘天地一體化量子實驗室’。”
然而，要做到天地互動並不容易。量子衛星總設計師朱振才説：“量子衛星的一個顯著特點是要對德令哈與麗江，或德令哈與烏魯木齊兩個光學地面站同時實現對準，星上的光軸與地面望遠鏡光軸要嚴格對準，用一個形象的比喻就是針尖對麥芒。”
科學家説，這要求衛星的對準精度高於普通衛星的10倍，實驗才能順利展開。真正的問題在於，這顆衛星將在人們的頭頂以約8公里/秒的速度飛馳，地面觀測站每次只能持續跟蹤幾分鐘。
量子衛星工程常務副總師兼衛星總指揮王建宇説，為了讓穿越大氣層後光子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，為了保證量子衛星與地面接收站間超高精度地瞄準、捕獲和跟蹤資訊，科研人員從2012年起就做了各種實驗，包括用熱氣球來模擬空間探測器的振動、隨機移動和高度變化，用行駛的車輛上裝載的轉盤來模擬衛星的飛馳而過。
據新華社
量子實驗衛星
四種“武器”
●量子密鑰通信機
●量子糾纏發射機
●量子糾纏源
●量子實驗控制與處理機
四大實驗任務
●星地高速量子密鑰分發實驗
●廣域量子通信網路實驗
●星地量子糾纏分發實驗
●地星量子隱形傳態實驗
實驗分三類
第一類：進行衛星和地面之間的量子密鑰分發，實現天地之間的安全通信，如果4個地面站任何兩兩之間都可以實現安全的通信，即可實現組網
第二類：相當於把量子實驗室搬到太空，在空間尺度檢驗量子理論
第三類：實現衛星和地面千公里量級的量子態隱形傳輸
