8月16日1時40分，我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功發射世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”。“墨子號”在未來兩年的在軌運行里，將 會配合五個地面台站，首次在太空與地面之間開展遠距離量子通信的實驗研究，為建立一個極其安全的覆蓋全球的通信網絡奠定基礎，同時將開展對量子力學基本問 題的空間尺度實驗檢驗，加深人類對量子力學自身的理解。

取名“墨子號”正是對這顆“世界首發”衛星的最好定義。“墨子是目前據文獻記載第一個通過科學實驗驗證光線沿直線傳播的科學家。從某種意義上，他也是第一個提出牛頓第一定律的人。”量子衛星首席科學家、中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉說。

同時，對於量子通信的質疑也紛至沓來。潘建偉說，他歡迎基於科學實驗的嚴肅的質疑。同時他表示，儘管目前中國量子通信已走在世界前列，但在量子計算、量子模擬和量子精密測量等量子技術上還有很長的路要走，“面對量子技術上激烈的國際競爭，我們還需要非常艱苦的努力。”

量子科學實驗衛星“墨子號”發射成功

研製過程：每一次困難都讓人近乎絕望

潘建偉在接受《自然》專訪時表示，量子衛星的首要任務是在衛星和北京地面站、衛星和維也納地面站之間建立量子密鑰分發。衛星將量子密鑰分發到兩個站點，通 過比對最終建立絕對安全的量子密鑰。擁有相同量子密鑰的兩個站可以把使用量子密鑰加密的信息通過互聯網、無線電話等經典通信方式傳遞而不用擔心信息的泄 露,這種通過量子衛星發射的密鑰可以做到一次一密。從衛星研製到發射的四年多時間裡，潘建偉團隊遇到無數困難，每個困難都是一個坎，都有可能導致衛星發射 失敗。

鳳凰資訊：量子通信的基本原理是什麼？

潘建偉：量子通信的基本原理有兩條：一是量子信息的傳播媒介單光子不可分割，二是未知的光子狀態是不可複製的。首先，我們的物質世界由很多基本元素顆粒組 成。當太陽光照過來時，這束光是由一顆顆小顆粒組成，這種小顆粒就叫光子。光子是光的最小組成單元，具有不可分割性。第二，光子在真空中傳播時有一種特性 ——偏振。它會沿着水平方向和垂直方向振動。這兩種光子的振動狀態分別用0和1表示，假設用0表示水平振動，用1表示豎直振動。根據量子力學的原理，在尚 未被觀察時，光子的狀態處於0和1的疊加態，並不知道是0或是1。如果你嘗試去觀察它，就會對它有干擾，光子狀態會被破壞，所以這種振動態是無法被精確復 制的。

鳳凰資訊：發射量子科學實驗衛星的目的是什麼？

潘建偉：發射量子科學實驗衛星主要有三方面的目的，第一目的是做衛星和地面之間的量子通信；第二是能夠通過衛星實現遠距離的糾纏光子分發，測試量子糾纏現 象，並在遠距離地點之間對量子力學預言的非定域性進行檢驗。量子糾纏是量子世界中的一個典型現象，即一對處於量子糾纏態的粒子，即使相隔極遠，當其中一個 狀態改變時，另一個狀態也會即刻發生相應改變，這是量子非定域性的一種表現；第三個目的是做量子信息的遠距離傳送，學術的語言叫做量子隱形傳態。之所以要 做衛星和地面之間的量子通信的原因是，儘管我們現在用光纖上網，但量子通信的信號在光纖里傳輸一百公里之後，99%的信號都損耗掉了，那麼如果想做一千公 里的量子通信，哪怕是把目前全世界所有頂尖技術都用上，每三百年也才能傳送一個信號，量子通信就沒價值了。但是上天之後，通過量子衛星則可以傳播幾百K的 密鑰，大大提高量子保密通信的密鑰分發數量。

鳳凰資訊：在發射量子衛星之前，做了哪些前期工作？

潘建偉：量子科學實驗衛星走到今天，其實是一個非常有趣的故事。其實第一個量子密鑰分發的實驗就是在自由空間上實現的，那時大概做了32厘米。九十年代， 有美國的科學家又把量子密鑰分發做到了100米、200米。但是在自由空間進行量子通信面臨的問題是地面上有很多障礙物，光線會遇到阻擋，一旦被阻擋，不 就傳輸不了了嗎？所以後來大家就把主要精力放在了在光纖里進行量子通信上。

2000年，大家在光纖里的演示能夠做到幾十公里，距離一長就出現損耗，再做一百公里距離的量子通信就做不了了。這時，大家開始思考如何實現遠距離的量子 通信。2002左右，國內的學者以及一些國外的學者就開始做一些實驗，試驗遠距離量子通信的可能性。2004年，我們通過實驗證明光子在穿破大氣層之後能 很好地存活。2005年我們發表了論文，2006年就向中國科學院提出來我們要做量子科學實驗衛星。2007年科學院給了一筆經費在地面上進行關鍵技術攻 關和相關研究，我們和中科院上海技術物理研究所、中科院上海微小衛星工程中心和中科院光電技術研究所合作進行地面研究。經過幾年的研究之後，團隊通過很多 實驗證明上天的可行性，於是到2011年底，中科院正式立項支持量子科學實驗衛星的項目。2016年6月，將近4年半時間我們把衛星研製出來了。

鳳凰資訊：衛星研製到發射的過程中遇到了哪些技術難題？

潘建偉：中間遇到太多絕望的事，經歷了無數艱辛和坎坷最後才能發射成功的。例如在信號上天的方式上，我們有很多種設計，一種是天上往地面發，一種是地面往 天上發，還有一種是從地面往天上發，在衛星上做一個反射鏡，把狀態改變一下再發回地面。最後我們證明，還是從天上往地面發是最最方便的，但中間要進行很多 次複雜的計算和論證。

還有探測器放到天上後，發現經過宇宙射線的轟炸，一個星期就死掉了。但我們需要機器能夠工作兩年，那就需要解決如何讓探測器的壽命提高到能夠工作一至兩年的水平。

另外，量子通信在光學方面要求是非常高的，衛星快速飛行的同時必須保證地面的光學天線能夠緊跟衛星的節奏，才能實現信號的準確接收。比如在一萬米高空的飛 機上，看到地上有一個儲蓄罐，現在從飛機上投硬幣，必須保證每個硬幣都能夠扔到儲蓄罐中，這個技術發展是非常困難的。其次衛星發射的光信號非常微弱，我們 必須解決微弱光線的接受問題。

潘建偉院士

面對質疑：無條件的通信安全是完全合理的

根據量子理論，微觀粒子可以處於量子疊加態，例如光子可以同時存在水平振動和豎直振動兩種狀態。兩個光子製備到相互糾纏的狀態時，當測量出一個光子的狀態 是向上的，那麼另一個光子就會發生塌縮變成向下狀態。用薛定諤的貓作比喻，當A貓和B貓形成糾纏態，無論這兩隻貓相距多遠，A貓活的時候，B貓一定是死 的，這種狀態就是量子糾纏。愛因斯坦認為，這種跨空間、瞬間影響雙方的量子糾纏是“鬼魅的超距作用”（spooky action at a distance），是違背狹義相對論的。

近年來，隨着量子信息科學的發展，科學界旋即出現了許多對於量子通信的質疑。北京大學物理學院退休教師王國文在一篇《掃謊打非：敦促潘建偉院士走出迷途》的文章里稱潘建偉所說的量子糾纏是對愛因斯坦相對論的否定，“純屬謊言”，而認為其實驗路線“胡作非為”。

上海大學數學系的密碼專家曹正軍今年3月發表在財新網上的文章《量子通訊是否真的無懈可擊》裡指出，量子通信這種看似無懈可擊的通信方式，實際上是以犧牲 信號穩定性為代價的，一旦存在敵方的任何形式的入侵行為，量子通信都將無法實現，而傳統的密碼體系，都是假設敵方可以獲取信息，但是從計算複雜性上讓敵方 無法破解。“如果敵手消失了，那麼任何密碼技術都是多餘的。”從這個意義上說，量子通信可以說是只要有敵方存在就辦不了事，這樣的系統最終只能淪為擺設。

鳳凰資訊：現在很多人也質疑，例如認為量子通信的安全性是以犧牲穩定性為代價的。還有人質疑所謂的“量子通信提供了無條件通信安全方式”的說法過於絕對。

潘建偉：我歡迎基於科學實驗的嚴肅的質疑。現在對於量子通信的質疑有三類，第一類是完全質疑量子科學理論。現在量子理論的科學性已經建立起來了，儘管我們 現在還不知道量子糾纏為什麼會發生，背後的東西是什麼。但我們的實驗也驗證了量子糾纏確實存在，所以如果有人對量子糾纏理論有突破，可以發表，經過同行評 審，認為是有科學價值。但如果只是自己講，我們不會給任何回應。

第二個是干擾問題，這種抗干擾能力跟無線通訊、光纖通訊是一樣的。如果一個人說，我把你的信息攔截了不讓你通信了，你的系統就崩潰了。他當然是可以攔截。 但是回過頭來，如果我們在光纖中通過經典通信傳輸，那我也是一樣可以攔截你的。這兩種攔截的成本、所需的技術和難易程度完全一樣。所以有些人說量子通信衛 星的抗干擾能力弱是不對的，我們和經典通信是一樣的。

“無條件安全”在它的內涵裡面是合理的，但是我只能說這個通信本身是安全的，不過基於一個假設就是，信息傳遞的這兩個終端自己不要出問題。我們的量子通信只管通信的過程是絕對安全的。但要做到“完美”的信息安全，我認為應該把終端的安全也一起管起來。

第三方面，我們項目剛啟動很多人都在問，是不是國外已經在做了？我們要鼓勵大家敢做一點別人沒做過的事情，如果一定要別人開始做了之後我們再去做，我們還能成為一個創新的國家嗎？

鳳凰資訊：量子衛星發射之後就可以解決稜鏡門事件嗎？

潘建偉：我可以保證如果你按照我的這個程序來做，信息傳輸的安全性沒有問題。不過有一個前提是，必須保證房間裡面是安全的。例如我在我的房間裡，你在你的 房間裡，我們進行信息傳送。而我把傳送的內容告訴了我屋裡的太太，我太太再告訴別人，那安全性就無法保證，我解決不了這個問題。稜鏡門其實是通過三個方面 來進行竊聽，第一個方面，從線路上通過彎曲光纖來偷走未經加密的信息。第二方面，通過控制服務器竊取信息。第三個方面是可以在計算機上裝一個木馬，往外發 射信息的時候，我就可以進行複製。如何解決這個問題？首先信息傳輸的過程中，我給你加過密了，在服務器上不會被別人偷走。即使被干擾，傳送過去的也是亂 碼。這個方法能夠解決前面兩個問題。但如果是在你自己的辦公室里信息就被竊取，這個問題就不是我所能解決的問題了。還有一種辦法可以用來解決第三方面的問 題，儘管用來傳送信息的計算機有病毒，那就在信息送出去之前給它加密，只有在外面經過我合法授權的人才能讀到我的信息，這就能解決剛才所說的問題。不過， 如果終端自己就泄密了，那就不是我要解決的問題了。

面對競爭：三個原因讓我們成為量子衛星首發國家

90年代，量子信息在中國尚未得到廣泛的認可，發展進程十分緩慢。2001年潘建偉開始回國組建量子通信實驗室。2008年，潘建偉團隊整體回到中科大，通過多次科學實驗的基礎上證明被愛因斯坦否定的量子糾纏的存在，並證明在太空與地面之間開展遠距離量子通信的可能。

鳳凰資訊：90年代您選擇出國留學出於什麼方面的考慮？您在奧地利的導師Zeilinger教授給了您哪些影響？

潘建偉：91年我做本科論文的時候，對於量子糾纏背後的原因很苦惱。為什麼會有糾纏，為什麼即使是遠距離的量子間也能相互影響，而稍微一碰糾纏就消失了。 當時國家還沒足夠的錢進行實驗，這也是我選擇出國留學的原因。我在奧地利因斯布魯克林大學讀博士的時候，我的導師Anton Zeilinger是這個領域世界級大師。剛去奧地利的時候，導師問我到將來的規劃，我說我希望將來在中國能有一個像他一樣世界一流的量子光學實驗室。我 的老師在科學方法和思維方法上給我很多的幫助。他告訴在科學上要：To be No.1。所以我們在2002年左右的時候就很勇敢地提出能不能放棄地面上的自由空間，用衛星來做量子通信。第二是在科學上盡力去爭取第一。

還有包括現在我堅持用一些通俗語言進行科普，就是希望告訴群眾，大家的錢科學家們都用來做了哪些事，這些事對我們的生活會帶來哪些改變。這也是我的老師教給我的，當時只要我們有文章發表，他就會發一篇新聞通稿告訴公眾我們做了哪些事，這是很有必要的。

鳳凰資訊：從奧地利回國開始籌劃量子信息研究實驗室的創建，當時國內對於量子信息科學還存在很大爭議，甚至有些人認為這是偽科學。您當時籌備這個項目時遇到過什麼困難嗎？

潘建偉：量子信息科學的研究中科大是最早的開始的，起初我在中科大的老師張永德只申請到了幾萬塊錢，當時的評審意見是，“量子信息研究這個東西很不靠譜， 要使用起來很難”。這個狀態一直到2000年之後才有所好轉，因為那個時候國際上在量子信息科學上得到比較快的發展，而當時的中國科學界還比較習慣在國外 先做起來之後我們再做。

鳳凰資訊：美國和歐洲在量子信息科學發展上一直處於領先地位，但為什麼這次是中國首發量子科學實驗衛星？

潘建偉：首先解釋為什麼不是歐洲類似奧地利這些在量子信息科學上有很好傳統的國家。發射衛星是一個非常複雜的過程，需要一個非常龐大的團隊來做。例如衛星 平台、空間光跟瞄、地面大型望遠鏡的接收等等。量子科學實驗衛星所需要的技術要精細到什麼程度呢？比如要能夠看清楚木星上的汽車牌照。這就需要分辨率非常 高的望遠鏡。第二，要保證很弱的光從衛星上傳下來我們還能接收得到。第三衛星飛得非常快的時候要能夠跟得上。這麼一來，我們需要很大的團隊，除了我們團隊 之外，有中科院上海技術物理研究所，有中科院光電技術研究所，有中科院上海微小衛星工程中心，有南京紫金山天文台，北京的國家天文台，中科院上海光學精密 機械研究所，中電集團第44研究所等將近十幾個研究所，好幾百人一起來做。

為什麼不是美國而是中國先做成了這麼一件事。一是我們技術上做得比較早，二是管理上的優勢，還有就是我們很早就在謀劃發射衛星這件事。在90年代其實全世 界在量子信息科學上都處於剛起步的狀態，這個領域是隨着1996年量子信息實驗科學的興起逐步發展起來的，我做博士論文的時候就介入這個領域，可以說是這 個領域的拓荒者。後來回國進展也比較快，2003年開始，我們有意識地往劍橋、牛津這些大學派遣相關學生去掌握相關技術，最後把做衛星量子通信所需要的人 才和技術元素都集中起來了，再加上中國科大和各個相關的研究所都屬於科學院，協調起來方便得多，因此我們就走到前面去了。

建立量子通信網絡：未來15年將會走進千家萬戶

2016年3月，歐盟委員會發布《量子宣言（草案）》，呼籲歐盟成員國和歐盟委員會發起資助達10億歐元的量子技術旗艦計劃，確保歐洲的量子產業在全球產 業藍圖中的領導地位。同年7月，美國國家科學技術委員會發布《先進量子信息科學：國家挑戰及機遇》報告。美國政府每年斥資2億美元資助量子信息科學領域的 基礎和應用研究。中國2016年的“十三五”規劃中也將量子通信作為重大科技項目進行重點支持。量子保密通信“京滬幹線”也將計劃在今年年底建成並驗收， 實現京滬兩地的金融、政務機構的保密通信。中國科學技術大學教授陸朝陽在一次報道中表示，“可想而知，（量子技術）將是一場競賽”。

我國將建全球首條量子通信" 京滬幹線

鳳凰資訊：隨着“墨子號”的升空，很多國家都非常關注，在量子信息科技上的國際競爭也會日趨激烈。這些國際競爭主要來自哪些方面？中國的優勢和劣勢在哪裡？

潘建偉：我們的主要競爭者肯定是來自美國和歐洲。歐盟在今年4月份發布了《量子宣言》，然後5月份歐盟量子大會上宣布啟動10億歐元的量子技術旗艦計劃， 以保證歐盟在量子技術方面的主導地位。美國國家科學基金會NSF前陣子正式提出，將“量子飛躍：引領下一代量子革命”作為未來重點支持的六大科研前沿之 一。最近由奧巴馬總統領導的國家科學技術委員會發布了“推進量子信息科學：國家的挑戰與機遇”戰略報告，講到要專門對量子通信，量子計算和量子精密測量進 行支持，在未來的量子技術發展方面起到一個領導地位。

我們都知道量子信息技術主要包括三個方面，量子通信、量子計算和量子精密測量。根據歐盟官方給出的統計，在量子計算方面，歐洲最強，美國次之。在量子通信上，中國是領先的，歐洲次之。但在量子精密測量上，歐洲依然是老大，其次是美國，中國弱一些。

鳳凰資訊：這次的量子科學實驗衛星項目我們也有跟奧地利進行合作，您在過去的採訪中也明確即將會跟其他國家開展國際合作，主要是在哪些方面？

潘建偉：畢竟我是從奧地利留學回來的，所以當他們提出請求希望參加這個項目時我們同意了。當時路甬祥院長去奧地利訪問，奧地利科學院院長專門提出請求並簽 署初步框架性協議。在中國把實驗都做完之後，會在衛星飛過北京上空時，在衛星和北京之間建立量子密鑰分發。衛星飛越維也納上空的時候，進行衛星和維也納之 間的密鑰分發，這樣就能探索維也納和北京之間進行無條件安全通信的可能性。加密完之後我們通過公共途徑請世界各地的科學家們來破解。因為同時有好幾個其他 國家，也都希望這個項目能夠向他們開放，我們也樂於和他們一起開展相關合作研究。

鳳凰資訊：發射量子科學實驗衛星之後下一步的計劃是什麼？

潘建偉：建立覆蓋全國的量子通信網絡，讓量子通信能夠走進千家萬戶，也許要經過10-15年的時間。要實現這一目標，光靠一顆衛星是不行的，需要一個星 座，並與天地一體化信息網絡進行合作開展相關研究。要一階段一階段來，不能一蹴而就。就像電報、電話的發展和普及一樣。量子通信的發展也是，剛開始可能只 有少量的機構，例如銀行或者政務系統採用。但因為現在信息化被大家高度重視，每個人都覺得信息安全是不可或缺的，所以我覺得這個周期會短得多，樂觀上15 年左右的時間能夠走向千家萬戶，從很好的程度上來保證網上銀行轉款，私密傳輸的信息安全等。