钱航 刘莞尔

“墨子号”的使命

墨子号于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心成功发射，2017年1月18日正式开展科学实验。如今，墨子号已圆满实现预定的三大科学目标，为中国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。

星-地量子密匙分发：

无法破译的安全通信

通过量子特性产生的密码在传递过程中不可能被破译

星-地量子密钥分发，保密通信核心是密钥。密码最容易被破译的点是在密码传递过程中。能不能制造出在传递过程中无法破译的密码？这听上去似乎不太可能，但科学家非常巧妙地利用量子特性，认为通过量子特性产生的密码，在传递过程中是不可能被破译的。

在物理学上，是可以产生绝对安全的密钥分发方法的。地面密钥分发一般是通过光纤传输，而光纤传输是有损耗的，传输距离有限。因为其他的方法，密码信号衰减了可以进行放大，但量子通信常用的方法是不能放大的，它必须要采用专门的量子中继的办法。如果通过卫星从天上往地面传输，这个密码在全球任何地方都可以接收到。

量子纠缠分发：

“鬼魅般的超距作用”

量子纠缠

爱因斯坦将量子纠缠远远超出光速的现象称为“鬼魅般的超距作用”，是两个（或多个）粒子共同组成的量子状态，无论粒子之间相隔多远，测量其中一个粒子必然会影响其他粒子，这被称为量子力学非定域性。量子纠缠所体现的非定域性是量子力学最神奇的现象之一。量子纠缠非常脆弱，会随着光子在光纤内或地表大气中的传输距离而衰减，以往的量子纠缠分发实验只停留在百千米的距离。墨子号在国际上首次开展了在空间尺度上的量子纠缠分发实验。

地星间量子隐形传态：

信息传输的超越

量子是不可复制的，如果一个世界是不可复制的，则意味着它没有办法和外界交换信息。因此，物理学家认为量子世界里，一定有自己信息传递的方式。20世纪末，有科学家提出，如果量子纠缠是存在的，量子世界就可以利用纠缠来传递信息。

实现地星间量子隐形传态是墨子号的又一科学目标。量子隐形传态可利用量子纠缠将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送粒子本身。墨子号量子隐形传态实验采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式。实验通信距离从500千米到1400千米，所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限。

墨子号：闪亮的科技之星

墨子号的科学成就示意图

墨子号取得的一系列科学实验成果，获得了国际社会的好评，并开启了全球化量子通信时代之门。

2017年，中国和奥地利科学院的团队进行合作。中国科学院白春礼院长和奥地利科学院利用在2017年10月正式开通的量子保密通信网络进行了视频通话，实现了洲际的量子保密通信。这一成果也被评选为2018年度国际物理学十大进展之一。

北京时间2018年1月31日晚，中国科学技术大学潘建伟教授领衔的墨子號量子科学实验卫星科研团队被授予美国2018年度克利夫兰奖（Newcomb Cleveland Prize），以表彰该团队通过实现千千米级星-地双向量子纠缠分发推动大尺度量子通信实验研究做出的卓越贡献。这是克利夫兰奖设立90多年来，中国科学家在本土完成的科研成果首次获得这一重要荣誉。

墨子号卫星原本只有两年寿命，如今依然在天上正常运行，助力中国科学家不断地进行新的实验，并开展更多的国际合作。

延伸阅读

量子科学领域延伸出一个学科叫量子信息学，它可以解决三件事，一是量子通信，解决无条件安全的通信手段;二是量子计算，速度之快超乎想象;三是量子测量，这个测量可超越很多目前认知上的局限。

量子定位：GPS定位系统在我们的生活中运用得很多，但它会受到大气环境的影响，精度就会受到限制。如果能够借助一些量子纠缠的方法来进行传输，定位的精度就可大大提升。

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量子计算：量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。量子计算机拥有超强的计算能力，为密码分析、气象预报、石油探勘、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案，并可揭示高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制，为先进材料制造和新能源开发等奠定科学基础。