2016年8月，在酒泉衛星發射中心，量子衛星“墨子號”星罩組合體吊裝，與運載火箭對接。新華社發

　　科研人員模擬地面望遠鏡向量子衛星發射信標光。新華社發

　　美國量子信息與計算機科學聯合中心的研究人員在討論量子信息技術。資料圖片

　　大西北網訊  隨著2016年11月中旬“墨子號”量子衛星順利完成在軌測試，正式開始科學實驗，2016年底量子通信骨干網“京滬干線”全線貫通，我國將構建起全球首個天地一體化的實用性廣域量子通信網絡。當下，圍繞量子科技領域的研發，美國、歐盟、日本等都在激烈拼奪，爭相搶占創新制高點。一旦取得重大突破，相關國家及整個世界的經濟、政治、安全格局都將為之改觀

　　構建天地一體化科學實驗體系

　　全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”的成功發射，使我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科學實驗體系。

　　“墨子號”在升空入軌后的未來兩年里，衛星和地面站將共同執行三大科學任務：星地高速量子密鑰分發、星地量子糾纏分發、星地量子隱形傳態。其中，星地高速量子密鑰分發，即在高精度捕獲、跟蹤、瞄準系統的輔助下，建立起衛星與地面之間超遠距離的量子通道，實現衛星與地面之間的誘騙態量子密鑰分發，開展無條件、安全的星地量子保密通信實驗，量子密鑰初始碼產生率可達到約10Kbps，這就為建立全球范圍的量子通信網絡打下了技術基礎。

　　通過發射衛星來建立天地之間的量子通信網絡，根本原因是由于地面信號傳輸多以光纖為媒介，傳輸過程中信號損失嚴重，光纖傳輸的量子通信信號在200公里以后就幾乎被吸收殆盡。若想實現遠距離的量子通信傳輸，就必須在地面設立多個信號中繼站。

　　而光或量子在穿透地球上空大氣層的過程中其能量損失僅為20%，也就是說，天地之間雖然遠隔成千上萬公里，光或量子在其間傳輸損失卻遠遠低于在地面光纖網絡中傳輸的損耗。這樣，利用太空中的量子衛星作為地面網絡的中轉站，并設法將地面多個城市中所建立的城際量子通信網絡連接起來，由此便可極大地提高量子通信的效率。

　　為了讓“墨子號”升空入軌后順利實施科研任務，人們早已在地面上建設了量子通信地面站，除了位于河北興隆、青海德令哈等地的地面站外，還有位于西藏阿里的量子隱形傳態實驗站，它們與量子衛星一起共同構成了全匹配的天地一體化量子科學實驗系統。再加上設在奧地利維也納和格拉茨的地面站等，量子衛星及在地面建設的多個地面觀測站，就儼然一體地協同組成了一張前所未有可整個覆蓋地面和空間的無比巨大的實驗網絡。

　　2016年底，全長約2000公里的廣域量子通信骨干網絡工程“京滬干線”交付使用，這一大尺度量子通信技術驗證應用和示范平臺既連接北京、上海，又貫穿濟南、合肥等地，高安全、可拓展、軍民融合，將成為全球已開通的最長量子保密通信骨干網絡，為政府機關、金融機構等提供高安全通信服務。2016年11月，我國第二條量子保密通信干線“武合線”（武漢至合肥）正式簽約開建。

　　“墨子號”量子衛星與“京滬干線”的結合，初步構建起中國天地一體化的廣域量子通信網絡，更加有力地推動量子通信技術深入應用，從而快速形成對國家經濟社會發展具有強勁拉動作用的戰略性新興產業。

　　此外，“墨子號”還承擔著對量子力學本身的基本原理進行檢驗的實驗職能。量子糾纏態是量子力學中的一種經典現象，即在多粒子量子系統中，一對具有量子糾纏態的粒子，哪怕相隔極遠，當其中一個出現狀態改變時，另一個的狀態也會立刻發生相應改變。這種現象通常又被稱作“量子非定域性”，曾讓愛因斯坦反復質疑，并引發了長期的爭論和持續至今的各種檢驗。

　　有科學家在地球表面相距100公里的兩地間成功地驗證了量子非定域性，但仍未做到嚴格無漏洞的終極檢驗。通過量子衛星直接把這類實驗帶到外層空間去做，將在世界上首次進行距離達千公里量級的量子非定域性實驗檢驗，這對人類加深了解和認識量子力學的基礎理論、探索大自然更深奧秘意義重大。

　　量子衛星大大增強信息防御能力

　　量子衛星所承擔的科學實驗涉及領域廣泛，具備遠大的開發應用前景，勢必成為未來技術創新的又一重要源泉。“墨子號”的成功研制與發射，使我國進一步擴大了在量子通信領域的國際領先優勢，繼而有利于實現國家信息安全和信息技術水平的跨越式提升。量子衛星的發射是出于科學目的，客觀地看，也可用于解決一些對中國信息主權的攻擊和侵犯，減少甚至避免頻繁的外來網絡攻擊，顯著增強我國的信息防御能力。

　　量子衛星還將大力推動“量子互聯網”（包含有保密通信和大大超過傳統互聯網的分散計算能力）研究，我國計劃在2030年前建立的量子衛星網絡，無疑將升級地面量子計算機網絡。如“天河二號”等性能最強大的超級計算機需100年才能處理的任務，一臺量子計算機只需0.01秒就能完成。

　　當然我們仍有大量工作要做，比如，需再繼續發射將近20顆量子衛星、對太空和地面量子網絡基礎設施進行改造、制定各種通信標準等，只有形成全球性的一個個星座體系，才能全面建構起遍布世界各國的網絡，也只有通過地面相應基礎設施的重重配置，才能確保量子網絡可分步按序連接到每一行業乃至千家萬戶。量子衛星的整個工程既需要量子傳感、量子通信和量子計算等多方面的技術與手段來做保證，而且還必須達到捕獲和跟蹤情報、事件乃至現象的高精度以及與時間的精準同步，所有這些，都會涉及高精尖多項技術的集成以及最前沿多門學科的交叉。

　　這種待建的量子衛星網絡具備高技術新型手段，可用于空間情報、監視、偵察平臺，戰術預警和攻擊評估；指揮、控制與通信系統；導航、定位與環境監測等。如果跨入到量子衛星通信階段，不管民用、還是軍事，其應用領域都很廣闊，既會讓傳統信息產業發生徹底變更，并會推動新興信息產業包括計算機產業、衛星通信業、數據庫業、音像視聽業等達到愈加效能高、速度快、產出大和安全絕對保障的結果。

　　對眾多產業具有全面拉動作用

　　量子通信不僅是一種全新的加密通信手段，并將成為新一代信息網絡安全解決方案的關鍵技術和日益普遍的電子服務安全基石，成為保障未來信息社會的重要基礎之一。

　　在容量大、質量好、覆蓋面積廣、快速靈敏、安全可靠等方面，量子信息技術正表現出比電子信息更加優越的特點。對未來“制天權”和“制信息權”的主動、牢靠掌握，不僅是一國政治、外交、軍事的急需，也是一國經濟必不可少的重要組成部分。

　　量子信息技術對未來眾多產業具有輻射和全面拉動作用。根據目前已掌握的量子技術看，量子信息技術不僅在提高運算速度和確保信息安全上突破傳統信息技術的極限，而且還能實現超高精度的測量，使信息技術的先進性達到新水平；通過量子模擬手段，人們將可更深入認識世界復雜體系的物理機理，積極開展微觀操控物質特性的活動，發現全新的物質形態；經大量研究證實，人類的基本生命過程及認知過程很可能同量子相干和量子糾纏直接相關；在量子尺度上進行能量調控，可實現能量愈加高效轉換，確保人類社會日益增加的能源需求。

　　量子通信對整個信息技術和其他相關產業的驅導、拉動貢獻，關鍵在于該種通信能具有絕對安全、超大信道容量、超高通信速率、可遠距離傳輸等本領。因為量子密鑰分發過程中，每個信息都依靠單個光子傳送，使之具備不可分割、不可克隆的特性，如果在傳輸過程中一旦受到干擾就會改變狀態，接受方便可以發現，從而充分保證傳輸內容絕密。量子通信遠距離傳輸，通過遠距離量子態隱形傳輸和糾纏分發來實現。如今，量子態隱形傳輸和糾纏分發已通過量子衛星與地面間的量子中繼器而達到真正實用化。

　　鑒于在自由空間光子損耗小，只要結合衛星幫助，將十分有可能在全球尺度上實現超遠距離的量子通信和信息技術多樣開發局面。以上各種技術既可以隨時用來跟蹤衛星和地面上的移動目標，往后亦能直接利用到以衛星為對象的跟瞄、通信和信息技術的其他開發項目。量子信息技術同空間技術產業、新能源技術產業、海洋技術產業等的貫通與滲透，前景廣闊。

　　上世紀90年代起，全球范圍的量子信息、量子通信研發就接連取得了突破性成果。主要大國都在爭前恐后地將量子通信技術當作本國最優先發展的戰略性科技來對待，圍繞量子科技進行激烈拼奪、爭相搶占該方面創新的制高點。近些年，美國和俄羅斯都部署了大型量子加密計算發展計劃；奧地利、德國、意大利等國，也都紛紛要求同中國一起協作開發量子科技。只要這些主導領域一旦取得重大突破，相關國家及整個世界的經濟、政治、安全格局必將會為之再次改觀。

　　（作者單位分別為中國科學技術大學國際發展研究所、國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心）