“墨子号”量子科学实验卫星（以下简称“墨子号”）在国际上首次成功实现从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态，两项结果的科学论文10日在线发表于科学期刊《自然》杂志。今年6月，“墨子号”首次实现千公里级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验，研究成果已发表于《科学》杂志（相关报道见本报6月17日一版）。至此，“墨子号”圆满实现预先设定的全部三大科学目标。

　　中国科学院院长白春礼表示，这一成果将为我国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坚实的科学与技术基础。

　　量子密钥分发：无法破译的安全通信

　　中国科学技术大学常务副校长、“墨子号”量子卫星首席科学家潘建伟院士解释，所谓“量子密钥分发”，是指将量子密钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，“这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的安全通信方式”。

　　量子通信通常采用单光子作为物理载体，最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输。但是，这两种信道的损耗都会随着距离的增加而呈指数倍增加。传统的电磁波等通信方式是采用设立基站等方式来加强或放大信号，比如手机通信中每隔一段距离就要设立一个基站。但由于量子态不可克隆，因此不能采取这类方法。那么，该如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信？

　　利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点，通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信距离。

　　如今，这一尝试终于成功。

　　据潘建伟介绍，这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础，“以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。此外，将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网，如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线等互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络”。

　　地星量子隐形传态：实现分布式量子信息处理网络的基本单元

　　量子隐形传态是量子通信要解决的另一个基础问题。潘建伟介绍，量子隐形传态是利用量子纠缠可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点的特点，将其携带的信息传递给对方，而不用传送物质本身。他说：“远距离量子隐形传态是实现分布式量子信息处理网络的基本单元。”

　　那么，是否能够在地面与卫星之间实现量子隐形传态，就成了量子通信中需要验证和解决的关键问题之一。

　　据潘建伟介绍，在“墨子号”实验中，量子隐形传态采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式。他说：“‘墨子号’量子卫星过境时，与海拔5100米的西藏阿里地面站建立光链路。地面光源每秒产生8000个量子隐形传态信号，地面向卫星发射纠缠光子，实验通信距离从500公里到1400公里，所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度（被测量值的可信程度）超越经典极限。”

　　这充分说明量子通信卫星具有实用性，是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码和量子隐形传态最有希望的途径。潘建伟说，假设在同样长度的光纤中重复这一工作，需要3800亿年才能观测到1个量子隐形传态事例。他认为，这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究，以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。