量子通信的实验场，将从地球上移师到太空中。记者近日从上海院士中心举办的量子信息、量子计算和量子测量学科发展战略院士论坛上获悉，由中国科学家自主研发的世界首颗“量子科学实验卫星（简称量子卫星）”现已完成关键部件的研制与交付，将于2016年前后发射，这或将使中国先于欧美拥有量子通信覆盖全球的能力。一场从地面到太空的接力。
量子卫星工程常务副总师兼卫星总指挥、中科院上海技术物理所王建宇研究员告诉记者，作为中科院先导计划中空间计划的一部分，量子卫星需要在两年的设计寿命中完成三大任务：卫星和地面绝对安全量子密钥分发、验证空间贝尔不等式和实现地面与卫星之间隐形传态。
这些实验将通过我国自主研发的星地量子通信设备完成，它能够产生光子并“发射光子”，与之对接的地面系统则负责“接收光子”，这种“发球、接球”需要超高精度地瞄准、捕获和跟踪。
为了让穿越大气层后光子的“针尖”仍能对上接收站的“麦芒”，王建宇团队从2012年起就做了各种实验——如收发距离40公里的转台实验，与卫星绕地运行的角速度一致；又如30公里距离的车载高速运动实验，考验超远距离“移动瞄靶”能力；再如热气球浮空平台，在空地环境下模拟了量子密钥分发。另外，科研人员还在青海湖实现了97公里超远距离自由空间量子密钥分发实验。
只有两年的时间，王建宇深感任务紧迫。“目前量子星地通信实验只有晴朗的夜晚能做，空间覆盖能力和范围都比较有限。”
破解棱镜门信息安全困境
还记得棱镜门吗？电子通信时代，人们的安全感就像窗户纸一样脆弱。中科院院士、中国量子科学研究的领军人物潘建伟表示，随着计算能力的提升和数学的进步，基于计算复杂度的经典加密体系终将崩塌。公钥加密算法RSA512在1999年就被破解了，科学家估计目前主流的RSA1024将在2019年被攻克，尽管科学家们试图寻找更加复杂的算法，但“抗解密”效果都不理想。在现代科学认知中，几乎任何已知事物都是可测的，但量子是个例外。在多粒子量子系统中，存在一种奇特的关联，即一对具有量子纠缠态的粒子，即使隔着一个太阳系，当其中一个状态改变时，另一个状态也会即刻发生相应改变。爱因斯坦等科学家最早发现了这一现象，因此这种量子间的纠缠现象也被戏称为“爱因斯坦的幽灵”。
在通信中，对方的语音，通过电话等有线无线终端，远距离传送到你的耳朵里。如果他人要窃听你们的对话，必须完成对话的复制过程，但如果要复制的信息由量子组成，恐怕在复制这一刻，内容早已“改头换面”了。“从理论上来说，量子通信是绝对安全的。”潘建伟说。
“量子时代”需要协同合作
自1993年IBM公司提出量子通信理论以来，各主要发达国家都将量子通信研发和应用列为优先级战略：IBM公布在未来的5年内投资30亿美元，用于未来芯片的发展研究，其中主要内容就包括超导量子芯片；欧洲的地平线2020计划宣布每年用1000万欧元做量子信息的协同研究；美国宇航局正计划在总部与喷气推进实验室之间，建一条600公里左右的量子光纤通信干线……而在这些研究室中，已经走出了7位诺贝尔奖得主。
潘建伟注意到，国外研究团队越来越多地出现了自发合作的现象，比如欧盟好几个国家的几十个小组联合在一起开展基于量子密码、安全通信工程方面的研究。
目前量子通信急需解决的问题，不是基础理论研究，而是元器件。潘建伟说：“量子研究发展到现在，单靠一个团队单打独斗的时代已经过去了。”比如量子卫星的难点就在于工程技术，因为进入量子尺度后，许多符合宏观物理学原理的经典器件都遇到了麻烦，例如单光子是不受衰减规律影响的，但光束在与电子交换时就存在着衰减现象，经典器件原理和量子力学原理如何吻合，是一个需要研究的大课题。
潘建伟认为，要保持我国在量子通信上的“世界劲旅”地位，需要前期研究和应用研究有机集合，国家要做好顶层设计，将国内各个优秀的研究团队联合在一起，进一步落实面向未来信息技术的量子工程。
（原载于《文汇报》2014-12-25 07版）
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