量子力学的里程碑：墨子号卫星与京沪干线

量子密码是目前唯一进入实用阶段的量子通信与量子计算基础技术。而在这方面，中国梳理了量子密码实用化的两大里程碑：墨子号卫星和京沪干线。

墨子号卫星：突破距离限制

量子密码的实用化面临一个主要挑战：传输距离有限。这是因为量子密钥分发（QKD）需要单光子传输，如果每次发多个光子，第三方可以窃取其中一个光子而不影响剩余的光子到达接收方，这种方法被称为光子数分离攻击。然而，光子在光纤中的传输会衰减，距离一长就会使信号微弱到不可探测。

为解决这一问题，科学家提出了两种方案：

自由空间传输——通过真空或空气中的单光子传输。

中继器技术——在传输线路上设置中继站，逐段传递信息。

墨子号卫星正是采用了自由空间传输的解决方案。2016年8月16日，中国发射了世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”。它在高空向地面站发送单光子，实现星地之间的量子保密通信，覆盖了河北、青海、云南、新疆、西藏等地的地面站。墨子号的成功标志着中国成为全球首个实现星地量子保密通信的国家，而美、欧、日等国家虽有类似卫星的计划，但至今尚未成功。

很多人疑惑：墨子号在数百公里外仅发射一个光子，地面真的能接收到吗？这正是自由空间传输的精妙之处。光子在穿过大气层后，进入真空空间基本没有损耗。由于大气层有效厚度仅约10公里，并且某些波段光子的损耗仅20%，因此这种传输是完全可行的。不过，卫星与地面站之间的精确对准是另一大挑战。墨子号和地面探测器需要在极高的精度下对准，类似于从50公里外将一枚硬币扔进一列全速行驶的高铁上的瓶子里。这种技术上的突破，使得墨子号成功实现了星地之间的超长距离量子保密通信。

相比之下，2017年日本发射了一颗名为“苏格拉底”的卫星，尽管宣称具备量子通信能力，但因其精度不够，需每次发送10亿个光子才能确保接收，根本无法保密。墨子号在精度上超出其约1亿倍，是真正意义上的量子保密通信。

墨子号不仅实现了星地量子密钥分发，还完成了多个重要实验：

量子隐形传态：通过量子纠缠，将信息从地面站传递到墨子号卫星，突破了经典通信的限制。

星地双向量子纠缠分发：在卫星和地面之间成功分发量子纠缠状态。

事件形式理论验证：检验了融合量子力学与广义相对论的事件形式理论，发现该理论并不成立。

这些成就使得墨子号成为全球重要的科研设施之一，为检验量子力学与相对论的基本问题提供了实验条件。

京沪干线：地面量子通信骨干网

2017年9月29日，中国开通了世界首条量子通信骨干网京沪干线，将北京、济南、合肥、上海等城市的量子城域网通过30个中继节点连接，形成覆盖约2000公里的量子保密通信网络。开通当天，时任中国科学院院长白春礼与时任奥地利科学院院长塞林格通过京沪干线实现了全球首次洲际量子保密视频通话。墨子号卫星通过奥地利地面站与京沪干线对接，生成密钥，进一步拓展了量子通信的应用。

京沪干线的成功，使得中国在量子通信领域真正实现了天地一体化的量子网络系统。目前，国际量子通信网络的建设上，中国已领先欧洲3至5年，领先美国5至8年。

墨子号卫星与京沪干线是量子密码实用化的里程碑，标志着量子通信迈向实用化的重要一步。中国在该领域的领先地位不仅展示了我国的科研实力，也为全球量子通信与量子计算的发展奠定了基础。

作者：《你也可以理解量子信息》风云际会

审核：罗会仟 中科院物理所研究员

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