2013年，斯诺登丑闻暴露了美国的虚伪。 世界上每个国家都受到美国的严密监视。 美国国家安全局在德国窃听并存储了多达10万人的电话、电子邮件和短信。 每月 5 亿次。 在德国，典型的一天，有近 2000 万个电话和 1000 万个互联网数据集受到监控。 而如果军事领域受到监控，任何举动都会暴露在美国的眼皮子底下，无从隐藏。 届时国家安全将受到严重威胁。

如何彻底杜绝美国监听、防止泄密，打赢这场信息战？ 经过漫长的过程，中国科学家终于在2016年8月发射了世界上第一颗“量子卫星”——墨子号，这颗卫星将连接世界。 通信网络，量子的特性也将保证数据100%不会泄露。 今天我们就来说说潘建伟教授时隔13年研制的量子卫星有多强大，意义何在。

1935年，在普林斯顿高等研究院，爱因斯坦、博士后罗森和研究员波多尔斯基合作发表了论文《物理现实的量子力学描述可以被认为是完整的吗？》 ”并将这篇论文发表在五月份的《 》上。 这是最早探讨量子力学理论对强相关系统做出的反直觉预测的论文之一。 在这篇论文中，他们详细阐述了EPR悖论，并试图通过思想实验来讨论量子力学的不完备性。 （EPR指：E：爱因斯坦，P：波多尔斯基，R：罗森）

在爱因斯坦的实验中，两个粒子A和B在接触瞬间后向相反的方向离开。虽然不确定性原理不允许同时知道每个粒子的位置和动量，但它确实允许两个粒子的总动量同时准确测量粒子A和B及其相对距离。

这样，如果我们只测量A的动量，然后根据动量守恒定律，就可以准确地知道B的动量，而B不会受到干扰或影响。

David Bohm 版本的 EPR 思想实验，Bohm 将其简化为测量粒子自旋的实验

这可以证明粒子B的位置和动量的真实性在B测量之前就存在。并不是像哥本哈根认为位置和动量在测量之前不存在。 动量和位置仅以概率云的形式存在。 ！

这个思想实验中有一个非常重要的点——“局域性假设”，即如果两个系统在测量时不再相互作用，那么无论对第一个系统做什么，都不会影响第二个系统。 对系统的任何更改。

爱因斯坦的目的是反驳哥本哈根学派对量子力学的解释。 尽管哥本哈根学派的掌门人玻尔最终承认了爱因斯坦关于“实在”的观点，并且“A和B之间不存在‘机械’影响”。

但玻尔敏锐地指出，在这个实验中测量粒子A的行为是解决问题的关键。

玻尔认为：A和B在分离之前相互作用。 它们永远作为一个系统的一部分纠缠在一起，不能被视为两个独立的系统。 因此，测量A的动量实际上相当于直接测量B的动量。对B进行同样的测量，立即就给了B一个完全清晰的动量。

这就引出了著名的“量子纠缠”理论。 例如，在微观世界中，两个纠缠的粒子可以在空间中瞬间相互作用。 换句话说，一个纠缠粒子在地球上，另一个纠缠粒子在月球上。 只要对地球上的粒子进行测量，发现它的自旋向下，那么远在月球上的另一个纠缠粒子的自旋一定是最好的。

但爱因斯坦立即反驳，量子纠缠怎么能让两个粒子在空间中瞬间相互作用呢？ 这不是突破了光速的极限吗？

爱因斯坦也为此举了一个例子。 将一副手套放入两个外观相同的盒子中。 洗牌后，随机挑选一个放在家里，另一个放在南极洲。 如果我在家里打开一个盒子，发现一只左手套，那么我也知道远在南极洲的盒子里的手套一定是右手套。 爱因斯坦认为，量子纠缠是一个粒子分裂成两个粒子后形成的纠缠现象，所以它们各自的状态在分离的那一刻就决定了！ 因此，量子纠缠不能超过光速。

后来，科学家提出了一个定理，叫做“贝尔不等式”。 简单来说，贝尔不等式意味着量子纠缠背后是否存在未知的新世界或新现象干扰粒子间的相互作用，导致自然界中出现像量子纠缠这样神奇的“现象”。 如果不等式成立，爱因斯坦获胜，如果不等式不成立，玻尔获胜！

到目前为止，虽然不知道爱因斯坦和玻尔谁对谁错，但量子纠缠现象确实存在。 多年来，许多研究成果都推动了利用这些超强相关性来传输信息的可能性，从而带动了量子通信的发展，量子通信是指利用量子纠缠效应来传输信息的一种新型通信方式。

因为我们之前说过，处于纠缠状态的两个粒子无论相距多远，只要一个粒子发生变化，另一个粒子也会瞬间发生变化。 利用这一特性实现光量子通信的过程如下：预先构建一对纠缠粒子，对于纠缠粒子，将两个粒子放置在通信的两侧，量子态未知的粒子与发送者的粒子被联合测量（一个操作），那么接收方的粒子瞬间崩溃（变化），并崩溃（变化）到某个状态，这个状态与发送方的粒子崩溃（变化）后的状态对称，那么联合测量的信息就是通过经典通道传输到接收器，接收器根据接收到的信息评估塌缩粒子。 通过执行酉变换（相当于逆变换），可以获得与发送者完全相同的未知量子态。

与光量子通信相比，经典通信的安全性和效率是无法比拟的。 安全——量子通信永远不会“泄密”，量子通信技术被认为是“未来信息社会保证通信保密性和隐私性的关键技术”。

由于量子通信需要光源发射单个光子，因此单个光子的量子态无法被复制或窃听。 但事实上，我们一般使用弱相干光子源，这会造成不完美光源的漏洞。 即使是微弱的相干光也具有多光子成分，并且可以发射两个或更多光子。 鉴于弱相干光的这一特性，攻击者可以采用所谓的PNS攻击。 简单来说，可以理解为：光源发射器发射多个光子后，攻击者窃取一个光子，并将剩余光子传递给接收器。 如果攻击者和接收者进行相同的基向量测量，就可以获得与接收者相同的信息，即窃取信息。

由于单光子不可分割、无法复制，无法像传统通信那样被复制和放大，所以百公里几乎成为量子通信的极限。

因此，当前量子通信的难点在于如何实现光源发射单光子，实现远距离量子通信。

潘建伟教授多年来从事量子通信研究。 1996年，硕士毕业后，经导师推荐，潘建伟前往奥地利因斯布鲁克大学攻读博士学位，师从世界级量子实验研究大师蔡林格。 由此开始了数十年的量子通信研究。

2003年，潘建伟研究团队开始研究自由空间量子通信。 他们在实验现场准备了一对纠缠光子，然后用两台专门设计和加工的发射望远镜将容易发散的小光束“增肥”，然后将它们向东西方向移动13米。 它从两个相距100公里的实验站发出，由两个接收端使用同类型的望远镜收集。

经过研究人员的多方努力，虽然许多纠缠光子在如此长距离的传输过程中衰减，但仍有相当比例的“情侣”能够存活下来，并具有强大的生命力。 经过单光子探测器探测，东西方被分开。 两地的光子“情侣”即使相距较远仍能保持相互纠缠，其携带的信息数量和质量完全可以满足星基全球量子通信的要求。

在此基础上，研究团队进一步利用分布式纠缠光源进行绝对安全的量子保密通信。 13公里不仅是世界上自由空间纠缠光子分发的最远距离，也是无窃听漏洞的量子密钥分发的最远距离。

2012年8月11日，中国科学家潘建伟等人近日在国际上首次成功实现了百公里尺度的自由空间量子隐形传态和纠缠分布，为发射世界上第一个“量子”卫星奠定了技术基础。通讯卫星。” 国际权威学术期刊《自然》8月9日重点报道了这一成果。

潘建伟团队还成功建设了“合肥都市量子通信实验示范网”。 该网络有46个节点，连接40组“量子电话”用户和16组“量子视频”用户。

然而，迄今为止已建成的通信网络都是通过光纤来传输光子。 光纤中固有的光子损耗将量子通信的距离限制在仅一百公里。 如果我们想进一步实现远距离量子通信，就需要量子卫星。 通过将光子发射到太空并通过卫星进行中继，光子只需穿过10公里厚的大气层，损失很小，就有可能实现全球量子通信网络。

也就是说，在高损耗地面成功传输100公里，意味着在低损耗空间传输距离可以达到1000公里以上。

所以这就是我们要研发量子卫星的原因。

事实上，中国并不是唯一一个研究量子通信卫星的国家。 2015年，NASA计划在其总部和喷气推进实验室之间建立一条长距离光纤量子通信干线。 该干线直线距离600公里，光纤长度1000公里。 公里，拥有10个中转基站，并计划进行星地量子通信。

2017年，日本信息通信研究机构表示，他们利用一颗名为“量子通信”的非常小的卫星进行了量子通信实验，并成功在卫星和东京小金井市的地面站之间以光子为单位传输信息。 但由于它们的对准精度不够，为了接收信号，一个光脉冲必须包含一亿个光子，可以说基本上相当于发送信息给大家免费看。 。 。

2017年，加拿大航天局宣布将借鉴中国的成功经验开展量子卫星实验。 滑铁卢大学的 Wave 领导开发了原型接收器，该接收器安装在双水獭飞行器上，以类似于低轨道卫星的角速度接收信号。 来自地面站的信号。

2019年4月，欧盟委员会和欧洲航天局达成协议，迈出建立高度安全的泛欧洲量子通信基础设施的第一步，准备建立安全的端到端量子通信基础设施来保护欧盟。 敏感数据和数字基础设施。

但在量子通信技术方面，中国具有垄断地位。 正如我们所说，潘建伟教授首次成功实现百公里尺度的自由空间量子隐形传态和纠缠分布，历时四年。 2016年，墨子号量子卫星发射成功。

中国科学家当地时间15日在美国《科学》杂志上报道，中国“墨子号”量子卫星在世界上首次实现了数千公里量级的量子纠缠，这意味着量子通信迈入了一个新的阶段。迈向实用性的一大步。 步。

随着千公里级别量子纠缠的实现，量子卫星的目标是实现卫星与地面站之间的量子安全通信。 要实现这一目标，关键是在恒星与地面之间数千公里的距离处探测单个光子，而不是像日本那样发射一亿个光子。 目前，量子实验已经实现了单光子的发射。 （千公里外的量子纠缠再次否定了“贝尔不等式”，证明了玻尔的正确性，验证了量子力学在大尺度空间的正确性。）

量子卫星的发射，是历史上量子通信首次进入实用阶段。 量子卫星的发射，为构建全球量子安全通信网络奠定了可靠的技术基础。

“基于星地量子密钥分发，利用卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发的范围扩展到全球范围。此外，将量子通信地面站与在此建立的城际光纤量子保密通信网络，如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线等互联，可以构建全球空地一体化保密通信网络。”

目前量子数还需要实现基于纠缠的量子密钥分发。 量子密钥分发利用量子力学特性来保证通信安全。 它使通信双方能够生成并共享随机的安全密钥来加密和解密消息。

量子密码的核心是量子密钥分发，利用量子力学特性保证通信安全。 它使通信双方能够生成并共享随机的安全密钥来加密和解密消息。

量子密钥分发最重要和最独特的属性之一是，如果第三方试图窃听密码，通信双方都会意识到这一点。 这一性质基于量子力学的基本原理：对量子系统的任何测量都会对系统造成干扰。 试图窃听密码的第三方必须以某种方式对其进行测量，而这些测量将引入可察觉的异常。 通过量子叠加或量子纠缠态传输信息，通信系统可以检测是否存在窃听。 当窃听程度低于一定水平时，可以生成安全密钥。

纠缠引起的量子密钥分配是指两个粒子在通信双方手中都处于纠缠状态。 如果一个粒子的量子态发生变化，另一方的量子态也会立即发生变化，而根据量子理论，宏观上任何观察和干扰都会立即改变量子态并导致其崩溃。 因此，窃贼因干扰而获得的信息已被破坏，并非原始信息。 有效地，传输的未知量子态在被测量之前将处于纠缠态，也就是说，它可以同时表示多个状态。 例如，一个量子态可以同时代表两个数字0和1，7个这样的量子态可以同时代表128。 状态或128个数字：0~127。 光量子通信的这样的传输量相当于经典通信的128倍。 可以想象，如果传输带宽为64位或更高，效率的差异将是惊人的。

量子卫星将彻底杜绝间谍窃听和破解机密通信技术，与国外网络攻击和防御能力相竞争。 要知道，未来军事行动将依赖获取信息，打信息战。 量子卫星将彻底消除美国获取我们的情报。 美国目前在量子通信技术上还无法赶上我们，所以他们目前正在大力研发量子计算机。 量子计算机是未来大国竞争的核心技术。 不过，中科院潘建伟团队搭建的光量子计算机实验样机，在计算能力上已经超越了早期计算机。 此外，中国科研团队完成了对10个超导量子比特的操控，成功打破了目前世界上最大数量超导量子比特的纠缠记录和完整测量。

未来，我们将发射更多量子卫星，开展卫星组网实验，实现高效的全球量子通信。 在科技创新方面，中国正在一步步向前迈进。

（美国在量子通信技术上完全落后于中国，中国在单光子和纠缠光子制备技术上处于垄断地位。此外，潘建伟教授因量子通信方面的成就获得中国诺贝尔奖-国家自然科学奖一等奖、欧洲物理学会菲涅尔奖、自然年度十大科学人物、克利夫兰奖等都充分肯定了潘建伟教授的成就，很多人否认量子力学和量子霍尔效应在半导体中的应用目前，在半导体行业，例如晶体管的发明和发展都是依靠量子力学。）