北京時間 8 月 16 日下午 1 時 40 分，中國科學院國家空間科學中心研制的“墨子號”衛(wèi)星，在中國的酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空并進入預定軌道。“墨子號”是一顆量子衛(wèi)星，也是世界上第一顆量子衛(wèi)星。

我們聽說過氣象衛(wèi)星、天文衛(wèi)星、通訊衛(wèi)星、導航衛(wèi)星，軍事用途衛(wèi)星甚至搭載武器的“殺手”衛(wèi)星——恐怕大多數(shù)人都沒聽說過“量子衛(wèi)星”是個什么玩意兒……

量子衛(wèi)星是什么?能做什么?怎么做?

墨子號應該可以算作通訊衛(wèi)星當中的一種。只是，和傳統(tǒng)的通訊衛(wèi)星直接傳遞信息不同， 墨子號的工作不是傳遞信息本身，而是分配“密鑰”——解碼加密信息的“鑰匙”。

這把密鑰的加密性能，比歷史上人類使用過的所有密碼本、阿蘭·圖靈造計算機想要破譯的 Enigma 密碼、Touch-ID， “兩步驗證”甚至 PGP 系統(tǒng)還要高，可以說不在一個級別上。

以往的密碼/密鑰，要么是固定的，要么非固定但按照一定的邏輯變化，從而有跡可循，讓人們可以使用計算機技術或通過社會工程學來破譯。量子密碼的安全型提到了前所未有的新高度，幾乎無法破解。

它利用了量子科學無比浪漫的基本原理：

兩顆糾纏的光子被拆散之后，無論相距多遠總會心靈感應，一個形態(tài)發(fā)生變化，另一個會像鏡子一樣同步變化。

光子組成了密鑰，墨子號就是向地面發(fā)射光子的衛(wèi)星——一顆量子密鑰分發(fā)衛(wèi)星。

墨子號隨長征-2D 運載火箭升空，衛(wèi)星將進入 500 千米太陽同步軌道。

舉個例子，打仗，A 地長官向 B 地前線部隊發(fā)送軍令。墨子號可以將許多組每組兩顆糾纏態(tài)光子拆開，發(fā)射給 A 和 B 兩地。當 A 地“觀測”這些光子，就像用手去觸摸了它們一樣，會讓這些光子發(fā)生形態(tài)變化。同時，發(fā)射到 B 地的光子也會產生一模一樣變化。把這些光子的形態(tài)，按照固定順序記錄下來，就變成了一組密鑰。A 地按照這個密鑰加密發(fā)送的信息，B 地手里已經拿到了解碼的密鑰，能夠順利解密信息。

怎么保證信息不被第三方破譯呢?需要用到量子科學的兩條基本特性：“量子態(tài)不可克隆”原理，和“海格堡測不準”原理。

不可克?。菏澜缟暇退阌虚L相一模一樣的人，也絕對沒有第三顆一模一樣的光子。只有 A 和 B 知曉目標光子的狀態(tài)，世界上也沒有能夠完美克隆目標光子狀態(tài)的機器。不完美克隆是可以的——然而并沒有什么用，因為復原出來的密鑰早已千差萬別。

測不準：A 摸了光子，改變了光子的狀態(tài)并記錄下來。誰要是再摸，有很大可能狀態(tài)又變了。理論上，如果第三方想要截取密鑰，必須先截獲光子，再去觀測它，結果光子就變化了。結果 B 要么沒收到光子，要么收到光子摸完去跟 A 校驗，發(fā)現(xiàn)怎么不一樣啊，就明白了，咱們被人監(jiān)聽了。這其實沒關系，兩邊一對發(fā)現(xiàn)密鑰失守，這條軍令大不了咱們不發(fā)了，請墨子號給咱們再發(fā)一個新密鑰吧，確認沒問題再傳遞信息。

就算有人能一直截獲光子，充其量也是掌握了保險箱的鑰匙而已——箱子里可以什么東西都沒有嘛。

上面是對太空量子加密通訊的一個非常粗淺的解釋，在專業(yè)人士看來不一定完全準確，但應該足夠讓你明白墨子號是干什么，怎么干的。

但這一切仍是個理論可行，還未在真實世界里驗證過的尖端設想。

墨子號的意義

陸地上的量子通訊，倒是已經得到了驗證。

包括中國和美國在內的一些國家，早就建立了陸基的量子通訊線路，也就是發(fā)射、傳輸和接收全都在陸地上，通過光纖傳輸。在中國，“京滬保密線”(北京-濟南-合肥-上海量子通訊干線)已經落成，使用了中國量子科學泰斗人物，中科大潘建偉教授研發(fā)的中繼器，能夠順利將光子傳送數(shù)百公里的距離。

潘建偉教授

然而，光纖并非一種良好的光子傳播介質。實驗室里最好的光纖能承載帶寬高達數(shù)十 Tbps 的光信號，也能讓你在中國的家里用 4k 清晰度觀看幾秒前里約奧運賽場上的畫面，卻無法在量子通訊的范疇里完好無損地傳播一個光子。效果已經買過了量子加密最低的門檻，但還不夠好——你可以理解為，就算導電性能最好的導體也會自帶電阻。

事實上，光纖不完美，地面空氣也不完美。這讓不完美不成活的量子科學家們很是苦惱：視野必須轉向太空!

奧地利量子科學家，維也納大學教授安東·蔡林格(Anton Zeilinger)，在量子科學領域比潘建偉教授資歷更高，也是潘的導師。他早在 2001 年跟歐洲航天局(ESA)提出要搞量子衛(wèi)星，遺憾的是經費一直批下不來。

后來中國方面提出并確定了量子衛(wèi)星計劃，蔡林格博士現(xiàn)在同潘建偉教授一起在“墨子號”項目組工作。

最近 ESA 轉過神來，決定把自己不輸給中國的技術利用起來，也搞一顆量子衛(wèi)星發(fā)到太空里。知乎用戶“ 宋祁朋 ”介紹，在前面提到的量子通訊具體實現(xiàn)技術上，中歐(主要是法國)之間是兩種不同技術并行發(fā)展。很難說誰更厲害，但合作起來肯定是棒棒的。

墨子號是科學家的第一次機會，能夠去驗證前面說的那一大段復雜而又酷炫的技術，究竟只是說說，還是真的能用。更別提衛(wèi)星發(fā)上去了，機器能不能正常運轉仍有待“觀測”——當然，科學家負責最壞的打算，我們負責最好的期待。

如果太空量子通信真的實現(xiàn)了，我們能用它做些什么?

在最近的未來，如果量子加密通信能夠為我們所用，可以用它來更安全地發(fā)送信息。只有信息的兩端知道信息的內容，服務器端無法獲知也無法保存內容，Telegram、PGP 之類的也許可以下崗了。

進一萬步，如果能直接將光子作為信息本身的傳遞工具，信息也就沒有“傳遞”一說了，而是是跨越時、空，直接呈現(xiàn)出來，真正的 real time~(還記得《三體》里的“智子”么?)

量子通信就是這樣的酷炫，但其根本原理仍超過人類認知能力和理解范圍。兩個糾纏的光子憑什么總能保持相同的狀態(tài)?一個變了另一個又是怎樣知道的?如果人類能夠在實現(xiàn)量子加密、量子信息通訊的同時或之后，得到這些問題的答案，距離宇宙終極原理就又近了一步。

不到那時，誰又知道它對人類來說，真正意味著什么呢?