量子通信的實驗場，將從地球上移師到太空中。記者近日從上海院士中心舉辦的量子信息、量子計算和量子測量學科發展戰略院士論壇上獲悉，由中國科學家自主研發的世界首顆“量子科學實驗衛星（簡稱量子衛星）”現已完成關鍵部件的研制與交付，將于2016年前后發射，這或將使中國先于歐美擁有量子通信覆蓋全球的能力。一場從地面到太空的接力。

量子衛星工程常務副總師兼衛星總指揮、中科院上海技術物理所王建宇研究員告訴記者，作為中科院先導計劃中空間計劃的一部分，量子衛星需要在兩年的設計壽命中完成三大任務：衛星和地面絕對安全量子密鑰分發、驗證空間貝爾不等式和實現地面與衛星之間隱形傳態。

這些實驗將通過我國自主研發的星地量子通信設備完成，它能夠產生光子并“發射光子”，與之對接的地面系統則負責“接收光子”，這種“發球、接球”需要超高精度地瞄準、捕獲和跟蹤。

為了讓穿越大氣層后光子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，王建宇團隊從2012年起就做了各種實驗——如收發距離40公里的轉臺實驗，與衛星繞地運行的角速度一致；又如30公里距離的車載高速運動實驗，考驗超遠距離“移動瞄靶”能力；再如熱氣球浮空平臺，在空地環境下模擬了量子密鑰分發。另外，科研人員還在青海湖實現了97公里超遠距離自由空間量子密鑰分發實驗。

只有兩年的時間，王建宇深感任務緊迫。“目前量子星地通信實驗只有晴朗的夜晚能做，空間覆蓋能力和范圍都比較有限。”

破解棱鏡門信息安全困境

還記得棱鏡門嗎？電子通信時代，人們的安全感就像窗戶紙一樣脆弱。中科院院士、中國量子科學研究的領軍人物潘建偉表示，隨著計算能力的提升和數學的進步，基于計算復雜度的經典加密體系終將崩塌。公鑰加密算法RSA512在1999年就被破解了，科學家估計目前主流的RSA1024將在2019年被攻克，盡管科學家們試圖尋找更加復雜的算法，但“抗解密”效果都不理想。在現代科學認知中，幾乎任何已知事物都是可測的，但量子是個例外。在多粒子量子系統中，存在一種奇特的關聯，即一對具有量子糾纏態的粒子，即使隔著一個太陽系，當其中一個狀態改變時，另一個狀態也會即刻發生相應改變。愛因斯坦等科學家最早發現了這一現象，因此這種量子間的糾纏現象也被戲稱為“愛因斯坦的幽靈”。

在通信中，對方的語音，通過電話等有線無線終端，遠距離傳送到你的耳朵里。如果他人要竊聽你們的對話，必須完成對話的復制過程，但如果要復制的信息由量子組成，恐怕在復制這一刻，內容早已“改頭換面”了。“從理論上來說，量子通信是絕對安全的。”潘建偉說。

“量子時代”需要協同合作

自1993年IBM公司提出量子通信理論以來，各主要發達國家都將量子通信研發和應用列為優先級戰略：IBM公布在未來的5年內投資30億美元，用于未來芯片的發展研究，其中主要內容就包括超導量子芯片；歐洲的地平線2020計劃宣布每年用1000萬歐元做量子信息的協同研究；美國宇航局正計劃在總部與噴氣推進實驗室之間，建一條600公里左右的量子光纖通信干線……而在這些研究室中，已經走出了7位諾貝爾獎得主。

潘建偉注意到，國外研究團隊越來越多地出現了自發合作的現象，比如歐盟好幾個國家的幾十個小組聯合在一起開展基于量子密碼、安全通信工程方面的研究。

目前量子通信急需解決的問題，不是基礎理論研究，而是元器件。潘建偉說：“量子研究發展到現在，單靠一個團隊單打獨斗的時代已經過去了。”比如量子衛星的難點就在于工程技術，因為進入量子尺度后，許多符合宏觀物理學原理的經典器件都遇到了麻煩，例如單光子是不受衰減規律影響的，但光束在與電子交換時就存在著衰減現象，經典器件原理和量子力學原理如何吻合，是一個需要研究的大課題。

潘建偉認為，要保持我國在量子通信上的“世界勁旅”地位，需要前期研究和應用研究有機集合，國家要做好頂層設計，將國內各個優秀的研究團隊聯合在一起，進一步落實面向未來信息技術的量子工程。

（原載于《文匯報》2014-12-25 07版）