□记者吴韬 高珊
青海小城德令哈，一束明亮的绿光出现在量子卫星地面站上空东北方向，沿着轨道在若隐若现的云月之间穿行，数分钟后消失在东南方。与此同时，在云南丽江站也出现了类似的绿光。
绿光来自“墨子号”量子卫星，而两个地面站之间的距离是1203公里。6月16日，中国科学技术大学潘建伟教授等组成的研究团队宣布，他们在国际上率先成功实现了千公里量级的星地双向量子纠缠分发，这也意味着“绝对安全”的量子通信向实用迈了一大步。
为什么要进行
千公里量级量子纠缠分发？
“相对于卫星家族中的那些大家伙，640公斤的‘墨子号’只能算是一个小瘦子。”经常参与卫星地面运控工作的中电科54所工程师张栋介绍，“体型小并不是重点，‘墨子号’的独特之处在于它是世界上的首个量子卫星。”
所谓量子卫星，就是以量子信号作为卫星与地面之间数据传输媒介的卫星。“在实现了千公里量级的量子纠缠分发后，‘墨子号’就更独特了。因为它把量子纠缠分发提升了一个数量级。”张栋表示。
那什么是量子纠缠呢？
要说清这个问题，还得从小小的量子开始。“量子是最小的能量单位，也是能量的最基本携带者，人们所熟知的分子、原子、电子、光子等在内的微观粒子都是量子的表现形式。”张栋介绍，从某种意义上来说，世界本身就是由无所不在的量子组成的。
量子有很多让人难以理解的特性，其中一个便是量子纠缠。“它是指两个纠缠在一起的量子就像有心电感应的双胞胎，无论它们之间相隔多远，当其中一个状态发生变化时，另一个的状态也会发生一样的变化。”张栋称，这种状态之间的关联不受经典物理学中的力场或电场的影响，其关联速度可被认为超光速。
围绕量子纠缠存在与否，科学界一直存在争论。爱因斯坦就否认量子纠缠的存在，拒绝承认宇宙运行的方式是如此奇怪，他质疑量子论，称量子纠缠为“鬼魅般的远距作用”，还把它的后果比喻为“上帝扔骰子”。但量子力学的另一位创始人玻尔则认为这种奇异现象是存在的。20世纪二三十年代，两人还围绕这一问题进行了数次论战。
“受制于科技发展水平，量子纠缠的争论一直停留在理论层面而无法被实验检验，然而贝尔不等式的出现打破了这种状态。”张栋称。
1964年，物理学家约翰·贝尔通过实验发现：对向两个方向发射的一对对纠缠光子的偏振方向进行测量时，无论它们相距多远，都会发生量子纠缠现象。为此他还总结出了那个被后人称为“贝尔不等式”的数学方程式。
“简单地说，在做贝尔不等式实验时，若实验结果符合贝尔不等式，那么量子纠缠就不存在，若实验结果违背不等式，那么量子纠缠就存在。”张栋称。
那这跟发射量子卫星有什么关系呢？
“在贝尔不等式实验中，为了保证测量效果，科学家总是要将两个探测装置相隔一定距离放置，但由于量子纠缠非常脆弱，如果在地面上做这个实验，量子纠缠会随着光子在光纤内或者地表大气中的传输距离而衰减，传输距离不可能太长。”张栋称，以往的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离，而所有实验结果均表明量子纠缠是存在的。但要想证明量子纠缠在更远的距离上仍然存在，需要实现上千公里甚至更远距离的量子纠缠分发。
这时就轮到量子卫星登场了。
“在太空中，因为卫星轨道附近基本上是真空，大部分空气都贴在地球表面，所以，从太空中向地面发射纠缠光子，受到的干扰就会比较小，可以实现更远距离的量子纠缠分发实验。”张栋称，这也是“墨子号”为什么要在太空进行量子纠缠分发实验的原因。
最终“墨子号”的实验结果以4倍标准偏差违背了贝尔不等式，这表明：至少在千公里量级，量子纠缠依然是存在的。
千公里量级
量子纠缠分发是如何实现的？
然而，实现千公里量级的量子纠缠分发并不容易。
量子卫星的各项实验都需要星地互动来实现，先说“星”这一方。“在量子卫星上，这次实验主要涉及的有效载荷，是量子密钥通信机、量子纠缠源和量子纠缠发射机。其中，量子纠缠源负责制造一对对处于纠缠状态的光子，而量子纠缠发射机和量子密钥通信机都是发射器，负责将光子发射到地面站。”张栋解释道，不过量子密钥通信机实现的是一对一，发射单个光子到单个地面站，而量子纠缠发射机则是一对二，把成对的纠缠光子分别发送到两个地面站。
再说“地”这一方。“量子卫星有5个地面站，分别是新疆南山站、河北兴隆站、云南丽江站、青海德令哈站以及西藏阿里站。”张栋解释说，之所以5个站点中有4个在大西部，是因为那里空气质量较好，便于量子纠缠分发的远距离传输实现。
每个站点都会在“墨子号”完成不同实验任务时发挥作用。张栋表示，根据实验设想，南山站和兴隆站将与量子卫星配合，完成单站星地高速密钥分发实验以及建立广域量子通信网络演示实验；当量子卫星飞过南山站与德令哈站、德令哈站与丽江站之间时，可进行双站星地量子纠缠分发实验；当量子卫星飞过阿里站上空时，地面站可向卫星发射纠缠光子，完成地星量子隐形传态实验。
接着就是最难的星地互动了。要知道“墨子号”是一颗太阳同步轨道卫星，它飞行速度约为每秒7.5公里——哪怕各地面站相距上千公里，卫星飞跃站点时，能够进行实验的时间也只有不到10分钟。尤其在双站量子纠缠分发实验中，要在短短的时间内，使卫星上的实验设备必须同时精准对上两个地面站的接收设备，并建立光路链接、完成实验，难度可想而知。
“在太空进行量子纠缠分发实验非常复杂，对实验设备要求也超乎寻常得高，卫星与地面站的微弧度要高精度跟瞄，稍微偏一点都不行，为了让穿越大气层后的光子仍能对上地面站的接收光轴，卫星在飞行过程中要始终保持角速度和角加速度是均匀变化的，这是非常难的。”张栋表示。
“要知道‘墨子号’运行在500公里高的轨道上，从卫星角度看，两个地面站间的角度相差是非常大的，这个对准的难度非常高，好比是万米高空飞机上扔下一连串硬币，在地面用存钱罐接住。”张栋说。
“研究人员让卫星在飞跃第一个地面站时，先找到目标，进行初步对准，后续则让载荷进行多次调整，然后分别与德令哈站、丽江站两个地面站建立光路链接，接着卫星上的量子纠缠源设备每秒产生800万个纠缠光子对，最终实现了持续稳定的量子纠缠分发。”张栋称。
量子通信离实用有多远？
事实上，“墨子号”的这次实验成果，让量子通信向实用化迈了一大步，也在技术上验证了构建全球量子通信网络的可行性。“未来，利用卫星的中转，可以实现地面上相距数千公里甚至覆盖全球的广域量子保密通信。”张栋表示。
虽然现在还弄不清量子纠缠的原理，但人类却可以利用这一现象作为通信的手段。利用量子纠缠技术，需要传输的量子态信息如同科幻电影中描绘的超时空穿越，在一个地方神秘消失，不需要任何载体携带，便可又在另一个地方神秘出现。
“由于处于‘纠缠态’的两个量子不论相距多远都存在关联，一个状态发生变化，另一个状态也会发生相应变化。利用这种特性，可使信息传送者和接受者彼此交换无法被破解的量子密钥。”张栋表示，在传递信息的过程中，量子密钥一旦被截获或被测量到，其自身状态会立刻发生改变，截获量子密钥的人只能得到无效信息，而信息的合法接收者也能立刻察觉，直到一把新的密钥安全无误地被接收。
“就好比一个人想要传递秘密给另外一个人，需要把存放秘密的箱子和一把钥匙传给接收方。接收方只有用这把钥匙打开箱子，才能取到秘密。没有这把钥匙，别人无法打开箱子，而且一旦这把钥匙被别人动过，传送者会立刻发现，原有的钥匙作废，再产生一把新的钥匙，直到确保接收方本人拿到。”张栋称。
“传统的通信加密和传输安全都是依赖于复杂的算法，但是只要窃取者的计算能力足够强大，再复杂的保密算法也会被破解，因此不能够做到‘绝对安全’。”张栋称，量子通信的安全性基于量子物理的基本原理，作为光的最小粒子，每个光子在传输信息的时候具有不可分割和不可被精确复制两大特性，从而能保证信息的不可窃听和不可破解，所以哪怕计算能力再强也是破解不了。
另外，量子通信可实现最快的通信。研究发现，即使将两个纠缠态亚原子粒子分隔到宇宙距离，它们之间的通信也几乎是即刻的。与传统光速通信相比，量子通信的线路时延为零，量子信息传递的过程不会为任何障碍所阻隔。
“不过量子通信的实现仅仅靠一颗卫星是不够的，如果要在全世界范围内保障通信安全，还得要更多卫星才能建构起网络。”张栋称，而且还需要地面配置相应基础设施，确保网络联接到千家万户。
虽然距离实现量子通信这一天还有很长的路要走，但有理由相信，随着“墨子号”实验的深入，一幅有关奇妙量子世界的画卷，正在人类面前缓缓展开。
