新華社甘肅酒泉８月１６日電（記者吳晶晶、楊維漢、徐海濤）２０１６年８月１６日１時４０分，我國在酒泉衛星發射中心用長徵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保密通信與科學實驗體系。
「墨子號」之所以用墨子命名，是因為早在2500多年前墨子就在《墨經》裡記載了「光沿直線傳播」、「小孔成像」、「凸面鏡成像」等光學八條，顯示了我國在光學領域領先於時代的技術。而「墨子號」量子衛星主要進行的就是光量子實驗，將光量子特性應用於通訊領域，以實現絕對的安全通訊。
量子通信是如何實現「絕對」安全的？
量子通信的安全性基於量子的兩個基本物理屬性：單光子的不可分割性和量子不可複製性。這兩個物理特性決定了量子通信的不可竊聽和不可破解，確保了身份認證、傳輸加密和數字籤名等的無條件安全，根本上、永久性的解決了信息安全問題。
聽起來很厲害的樣子，可是世界上存在「絕對」的東西麼？
我們的宏觀世界可能不存在，可是這是微觀世界。量子是能量的最小單位，光量子也就是光的最小單位，這就決定了單光子的不可分割性。
那麼，什麼又是單光子，想要捕捉一個單光子有多難？
「墨子號」首席科學家潘建偉院士舉過一個形象的例子：一個十五瓦的燈泡每秒鐘輻射出的光量子個數可以達到百億億個，想要實現單個光量子的製備就如同在這百億億個光量子發射出來的瞬間捕捉到其中的某一個。難度可想而知。
其次還有單光子探測技術，單光子是光能量的最小單位，能量很弱，因此需要有極其精密和高效的單光子探測技術。只有具備單光子製備和探測技術後，才能實現量子通信。
在一發一收的過程中，承載著信息的量子就完成了信息的傳送。而在這個過程中，一旦出現竊聽行為，由於量子的不可分割、不可複製的特性，馬上就會被發送者發現並規避。
那麼，何為量子的不可複製原理？
1982年Wootters，Zurek和Dieks在論文《單量子態不可克隆》提出了「量子不可複製原理」，即在量子力學中，不存在這樣一個物理過程:實現對一個未知量子態的精確複製，使得每個複製態與初始量子態完全相同。即我們並不能製造出一個量子態完美的複製品，只能將量子態從一個粒子完全傳送到另一個粒子，而隨後第一個粒子將不在處於原量子態。在通訊中，任何企圖複製原量子態的行為都會留下痕跡，然後被發現。
被竊聽者一旦發現有人在竊聽，這一竊聽信息也就失去了價值。因此量子通信對於國防、商業、科技、通訊、個人隱私保護都有重要意義。
經典加密和量子加密
也許你還是不明白為什麼我們要用量子通訊方式來代替現在的通訊方式，這是因為我們的通訊信息可以被竊聽。雖然我們不斷在複雜加密方式，但現在的通訊方式仍然有漏洞，給不懷好意的信息竊聽者留下了可趁之機，為了保證通訊的絕對安全，我們必須構建自己的安全信息安全網。
目前使用的信息傳輸方式主要是源頭加密、末端解密、雙方分配秘鑰的方式，而任何的傳送渠道都是可能的竊取渠道，經典數字信息可以被完美複製。信息被中途截取的可能太大，只能通過加密的方式來保證信息不被破解。
我們現在使用的加密方式主要是經典加密方式，這種加密方式採用複雜的算法，加密和解密工作量都很大，但是只要有足夠強大的電子計算機，仍然可以破譯。即使使用了保密性極強的「一次一密體制」，秘鑰分配到雙方的手中也需要藉助第三方，但是誰能保證第三方不會將秘鑰洩露給竊聽者？即使第三方沒有將秘鑰洩露，竊聽者也可以在秘鑰分發過程中直接截取秘鑰。
而且一次一密對於海量的信息傳遞要求來說也是海量的工作量，每次的傳遞信息都要求新的秘鑰，並且秘鑰的長度必須不小於信息的長度。
但是，如果信息是通過量子傳輸的，那麼任何的竊聽行為都會留下痕跡，而這一痕跡是如何留下的呢？
量子加密通訊手段主要有兩種——量子秘鑰分發和量子隱形傳態。
在「墨子號」的試驗中，量子秘鑰分發將會在中國科學院和奧地利科學院之間進行，也就是說「墨子號」的通訊能力能夠覆蓋整個亞歐大陸。
按照計劃，可以先由中國科學院生成一個0到1的隨機秘鑰序列，並選擇一個對應的極化方式，隨後根據秘鑰序列和極化方式生成一個單光子序列，然後利用「墨子號」將這個序列發送給奧地利。奧地利科學院在接受到信息後，將對這一單光子序列進行測量，然後和中國方面進行對比，在沒有被竊聽過的狀態下，這一單光子序列就會保持原來的極化狀態。這一序列就是有效的量子秘鑰。
如果極化方式改變，那麼這個秘鑰就失效了。因為竊聽者在竊聽時，也必須測量光子的極化狀態，而根據不可複製原理，這會改變光子的極化狀態。
第二種加密方式是量子隱形傳態。
量子隱形傳態利用了量子的「糾纏態」，一對糾纏量子，即使距離遙遠也具有「心電感應」，一個發生變化，另一個也會瞬間發生相應的變化。目前測量到的最遠距離隱形傳態是143公裡，這次「墨子號」的任務之一就是驗證這一理論是否適用於太空，量子糾纏和隱形傳態可否在星地之間保持。
將處於糾纏態的兩個粒子作為秘鑰分別發放給信息通訊的雙方，在發放的過程中，如果其中一個粒子被複製，粒子狀態就會改變，竊聽行為就會被發放者發現。
因此，量子簡直就是天生的「防竊聽神器」。
「墨子號」上帶了什麼？
在墨子號上主要有三類裝置，首先是雷射器，用來生成單個光量子的，即墨子號試驗的原材料。
然後是一個量子糾纏源，只有機頂盒大小，主要用來生成一對對糾纏狀態的光量子，是量子衛星在空中試驗的各種源頭。
最後是兩個發射裝置，一個量子秘鑰通信機，一個是量子糾纏發射機。這兩個裝置需要完成地對星和星對地幾千公裡距離的精準發射，並且向左向右同時傳輸量子秘鑰。
對此，中科院國家空間科學中心主任吳季說：「雷射器一站對一站有人做過，但一顆衛星對準兩個地面站國際上還從來沒有過。如果成功的話，在國際上也是首次實現這麼高精度的跟蹤和地面站配合。」
對於「墨子號」的量子衛星通訊效果，潘建偉院士介紹到，如果說地面量子通信通過連接每個信息傳輸點，構建了一張連接每個城市的網，那麼量子衛星就像一桿標槍，將這張網射向了天空。當這張縱橫寰宇的量子通信「天地網」織就，海量信息將在其中來去如影，並且「無條件」安全。
「地面量子通信」主要是藉助光纖傳播，但是這種技術傳送空間十分有限。光量子在光纖中傳播一百公裡後就只剩下了1%的信號，因此如果想要遠距離傳輸信息，就需要每隔一段距離設一個中轉站，就像接力一樣一棒一棒的傳下去，直到信息運輸終點。目前建設完成的合肥、濟南規模化量子通信城域網和即將建成的「京滬幹線」大尺度光纖量子通信骨幹網就是這樣的操作方式。
而根據潘建偉的研究，光量子穿透大氣層後卻可以保存80%左右的信號，再利用衛星的中轉，就可以實現地面上相距數千公裡甚至覆蓋全球的量子保密通信。
這一次，也許我們走在了時代前沿。