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建伟：深度解读量子通信卫星

中国成功发射全球首颗量子科学实验卫星2016年8月

16日时间凌晨1时40分，全球首颗量子科学实验卫星“墨

子”号在中国卫星发射中心成功发射，标志着我国在量子通

信领域全面领先于世界。“墨子号”量子通信卫星发射期间，

《环球科学》专访中国量子通信领物、空间量子科学实

验卫星计划的首席科学家建伟院士，为读者深度解读“墨子

号”。《环球科学》：能否简单解释一下什么是量子通信？建

伟：这是目前唯一得到严格证明的无条件安全的通信手段。

传统的信息安全依赖于计算的复杂，一旦拥有足够强大的计

算能力，所有依赖于计算复杂度的传统加密算法原则上都会

被破解。量子通信的安全性基于量子力学基本原理，单光子

的不可分割性和量子态的不可复制性从原理上保证了信息

的不可窃听和不可破解。只要量子力学是正确的，量子通信

的安全性就严格得到保障，与计算能力无关，因此可从根本

上、永久性地解决信息安全问题。在城市围，通过光纤构建

城域量子通信网络是最有效的手段。我国在实用化城域量子

通信技术方面处于国际领先，在、、、等地都建成或即将建成

规模化的城域量子通信网络，并初步应用于国防、政务、金

融等领域的信息安全。然而，由于光纤的固有损耗，按照目

前的技术，光纤中点对点的量子通信最多只能达到百公里量

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级。另一方面，由于大气层对光子的吸收很有限，将光子送

到外太空再通过卫星的中转，是实现数千公里乃至全球化量

子通信的有效手段。《环球科学》：您是如何产生用卫星来试

验量子通信的想法，又经过了哪些准备工作？建伟：2003年

起，在大多数同行仍致力于在实验室里实现量子通信的时

候，我就想到为了真正实现远距离量子通信，可能需要卫星。

2004年底，我们团队在地面实验中验证，量子状态在穿越整

个竖直大气层后还能够很好存活，证实了星地量子通信的可

能性。此后，在中科院两个知识创新工程重大项目的支持下，

建伟团队和中科院其他单位合作，开展了一系列的验证实

验，充分验证了星地量子通信的可行性。2011年，中科院正

式立项量子科学实验卫星专项。《环球科学》：“墨子”号发

射后，将会承担哪些研究工作？研究团队有什么样的分工？

建伟：量子科学实验卫星工程将研制与发射1颗量子科学实

验卫星，建设以4个量子通信地面站（兴隆、乌鲁木齐南山、

德令哈、）和1个空间量子隐形传态实验站（阿里）为核心

的空间量子科学实验系统。量子卫星发射入轨后将进行3个

月左右的在轨测试，然后转入在轨运行阶段，将在首席科学

家建伟的指挥下，完成一系列具有国际领先水平的科学实验

任务。主要科学目标为：进行星地高速量子密钥分发实验，

并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子

通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分

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发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验

的实验研究。乌鲁木齐南山站和兴隆站与量子科学实验卫星

配合，完成星地高速量子密钥分发实验和建立广域量子通信

网络演示实验；量子科学实验卫星飞过乌鲁木齐南山站与德

令哈站，德令哈站与站之间时，可在两个地面站之间进行星

地量子纠缠分发实验。量子科学实验卫星飞过阿里量子隐形

传态站上空时，实验站向量子科学实验卫星发射纠缠光子，

完成星地量子隐形传态实验。量子科学实验卫星的研制集合

了中科院系统的优势研究力量：中国科学技术大学负责科学

应用系统的研制，中国科学院微小卫星工程中心抓总研制卫

星系统，中国科学院技术物理研究所联合中国科学技术大学

研制有效载荷系统，中国科学院国家空间科学中心担任工程

总体并牵头负责地面支撑系统的研制、建设和运行。《环球

科学》：量子通信卫星有4个重要单元：量子密钥通信机、

量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验控制与处理机，能

否介绍一下这些单元以与其他部分的作用原理和功能？建

伟：这4个单元其实就是量子卫星的有效载荷。量子密钥通

信机实现量子密钥分发实验的密钥产生发射、量子隐形传态

信号接收探测、纠缠信号发射；量子纠缠源为星上纠缠光子

对产生源头，为纠缠分发实验核心；量子发射机实现纠缠信

号发射、量子密钥分配实验密钥产生和发射；量子实验控制

与处理系统实现密钥分发实验的后端处理，最后提取最终密

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钥，此外实现纠缠实验和隐形传输实验的数据分析处理。量

子密钥通信机和量子纠缠发射机是量子卫星对地直接进行

量子通信的设备，需要一些特别的技术。这其中最重要的就

是与地面站的精确对准。卫星的运动速度大约是每秒8公里，

要和地面望远镜的光轴精确对准，用一个形象的比喻就是针

尖对麦芒：卫星的对准精度就好比在一万米高空的飞机上，

向地面扔一个一个硬币，要准确投入储蓄罐狭长的投币口，

而储蓄罐还在慢慢旋转中。另外，在量子纠缠分发实验中，

还需要同时和两个地面站对准，难度就更加大，这要求卫星

的对准精度高于普通卫星的10倍，实验才能顺利展开，这

在国际上以往都未曾做到。除了有效载荷，卫星平台本身也

是重要的单元，因为在所有实验开始前都需要卫星先和地面

站初步对准，这就要求对卫星平台的姿态进行精确的控制。

《环球科学》：量子通信卫星的外观和普通卫星有差别吗？

建伟：卫星重量约600公斤，外观上与通常的卫星并无太大

区别。《环球科学》：未来，我们国家可能还会发射第二颗、

第三颗量子通信卫星，那么后面的卫星是否与第一颗有些不

同?后续的卫星，目前有发射的时间表吗？建伟：单颗量子卫

星无法直接覆盖全球，而且目前的空间量子通信还只能在夜

间（地影区）进行，白天强烈的日光背景会带来很大的干扰。

因此在未来还需要发射多颗卫星来组成卫星网络，同时突破

日光背景下进行量子通信的技术，从而实现全球化的广域量

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子通信网络。因此，未来发射的量子卫星还需要卫星之间的

量子通信、全天时的量子通信，这是与现在这颗量子卫星主

要的不同之处。后续卫星目前尚无发射的时间表，不过我国

的未来的空间站项目将开展相关研究，首先验证星间、全天

时量子通信的可行性。《环球科学》：关于量子通信，我国是

三步走的策略：一是通过光纤实现城域量子通信网络；二是

通过量子中继器实现城际量子通信网络；三是通过卫星中转

实现可覆盖全球的广域量子通信网络。此次量子通信卫星的

发射是第三步的重要开端，那么前面两步完成得如何？建

伟：首先，城域量子通信网络肯定是第一步，而后面的城际

量子通信和卫星量子通信是实现远距离量子通信的不同路

线，是并行开展研究的，并非有先后的顺序。目前我国在城

域量子通信网络技术方面已处于国际领先，在城际量子通信

方面也走在了世界前列，今年下半年，国际上首条千公里级

光纤量子通信干线“京沪干线”将建成，将连接、、、一直到

的城域量子通信网络，并将在国防、政务和金融领域开展应

用。可以说，我国在量子通信方面，已全面处于国际领先地

位。《环球科学》：量子通信卫星发射后，京沪干线也将完工，

利用现有的量子通信网络，可以做些什么？量子通信的应用

是保障通信的安全，在量子卫星发射、京沪干线建成后，我

国的广域量子通信网络就初具规模，可以在保障国防、政务、

金融等领域的信息安全得以广泛应用。《环球科学》：美国、

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欧洲也在开展量子通信计划，能否介绍一下欧美的情况？和

他们相比，中国在这一方面处于什么水平？美国和欧洲其实

在量子通信方面的研究是较早的。2008年，欧盟启动量子通

信技术标准化研究，成立“基于量子密码的安全通信”工程；

美国国防部支持的“高级研发活动”计划将量子通信应用拓

展到卫星通信、城域以与长距离光纤网络；NASA也计划在

其总部和喷气推进实验室之间建立一个直线600公里、包含

10个骨干节点的远距离光纤量子通信干线，并计划拓展到星

地通信。2014年，全球最大的独立科技研发机构美国Battelle

公司提出了商业化的广域量子通信网络规划，计划建造环美

国的万公里量子通信骨干网络，为谷歌、IBM、微软、亚马

逊等公司的数据中心之间提供量子通信服务。总的来说，正

如《自然》杂志所评论的，随着量子卫星的发射和京沪干线

的建成，“中国的量子通信水平，已经从十年前不起眼的国

家发展为现在的世界劲旅，将领先于欧洲和北美”。然而，

来自欧洲和美国的竞争仍然十分激烈，比如，2016年4月，

欧盟委员会正式宣布启动总额10亿欧元的量子技术旗舰项

目，目标是使欧洲在未来的量子信息革命中处于前沿位置，

而英国政府早在2015年初就已先期配套约3亿英镑用于支

持该旗舰项目的启动；2016年5月，美国国家科学基金会

（NSF）正式提出，将“下一代量子革命”作为未来重点支

持的六大科研前沿之一。未来我国能否继续保持领先，还需

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要国家的战略布局和高强度支持。《环球科学》：我国的计划

是在2030年建成全球化的量子通信，那么作为普通公众，

什么时候可以用到量子通信？全面实现量子通信，您认为大

致会是在什么时候？

建伟：目前的量子通信，由于围有限、成本较高，主要还是

集中在国家信息安全方面的应用。通过10到15年的努力，

如果可以构建一个覆盖全国甚至是全球化的量子通信网络，

同时随着应用的深入，成本也会逐渐降低，到那时，普通大

众应该也能广泛享受到量子通信带来的通信安全。比如，可

以通过入户的光纤，每家每户都有一个量子密钥机，手机里

面也可以有一个量子加密芯片，这样出门前在量子密钥机给

手机“充量子密钥”，然后就可以用手机来进行安全的通话、

上网、支付等等。请注意，量子通信并不是要取代传统通信

技术，反而是使传统通信更加安全。

《环球科学》：从今天到2030年还有15年时间，在未来15

年里，还将开展哪些重要的研究计划和基础设施建设计划？

“十三五”期间国家将布局“量子通信与量子计算”重大科

技项目，也会建设量子信息领域的国家实验室，我们希望在

重大科技项目和国家实验室的支持下，集合全国的优势研究

力量，实现一些关键技术和器件的突破。基础设施方面，除

了上面说到需要发射多颗量子通信卫星外，地面上也需要在

“京沪干线”的基础上，建设一个“多横多纵”的全国性光

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纤量子通信干线，目前我们正在与国家发改委沟通。环球视

野标题：《连线建伟：深度解读量子通信卫星，中国在量子

通信领域全面领先》