【解码天宫】详解神秘的量子密钥分发试验

　　前不久发射的“墨子”号量子卫星，引发了大家对量子通信这个神奇概念的关注，而在天宫二号上，也将进行一项与量子通信相关的试验，这就是量子秘钥分发试验。这是一个什么样的试验？

　　天宫二号空间实验室发射升空后，一张神秘的照片在互联网上披露出来。这个被网友们称为带着“星球大战即视感”的照片，其实正是天宫二号上面进行量子通信试验的设备进行测试时留下的。

　　潘院士和团队制造出这样无法分割的光量子后，就把要传输的信息放在里面。您会觉得，这样的光量子被人偷走了该怎么办。别着急，在量子通信中，光量子承载的只是密钥。通俗地说，如果我们把需要传输的信息比作一个带锁的包裹，光量子携带的秘钥信息就是开锁的钥匙。一把钥匙被偷，就把这把钥匙作废换一把新的，照样能打开包裹。

　　那么，这把钥匙有没有可能被人复制呢？

　　那么在天宫二号的任务中，如何把生成的秘钥传递给地面的接受站，并完成保密通信呢？

　　这样一把的钥匙，天宫二号上通过精密的激光器和光学设备，一秒钟就能生成上亿把，分发给位于全国多地的地面站，再用他们破译加密信息。

　　这就是天宫的量子秘钥分发试验。这些钥匙由主宰宇宙的量子力学原理产生，偷走没用，又无法复制，更不能通过计算破解，真正做到了万无一失。

　　记者探访：量子通讯难在何处

　　虽然量子秘钥具有这么好的安全性，但要实现它的传递，特别是，在天宫二号和地面站之间的天地传送，难度却特别高。天宫二号的这次试验，也是世界上首次进行的天地之间的量子秘钥的传输分发试验。

　　在利用光的量子通信里，通信通道的建立是个大难题，通俗地说，就是要让通信双方看到相互发出的光。比如，从高速飞行的天宫二号上把激光注入地面站，就好比在飞机上，往地面上的存钱罐扔进去一个硬币，这就要求光线的发射和接收双方要对得出奇的准。

　　而且，常理来说，想让远处的人看见自己手里的灯，你就应该把灯调的尽可能亮，可量子通信不行，因为它使用的是弱到不能再弱的单个光子。

　　抓到了这微弱的单个光子，还不是所有挑战的终结。接下来，还要给这些光子排好队，认好身份。

　　正是因为天地之间的量子秘钥分发有如此多的挑战，所以也让天宫二号在太空中的试验任务充满了悬念。完成这样的试验，也将标志着中国科学家在量子通信实用化的路上，又迈出了全新的一步。

　　研制故事：从几十厘米到天地通信

　　未来，像天宫二号上这样的量子通信手段不仅能够实用，甚至有可能建立覆盖全球的量子通信网络。而在研制之初，这简直是不可想象的，因为最初研制团队能实现的通信距离只有几十厘米，二十多年的奋斗，他们实现了天地之间的量子通信，这里面，是智慧，更是不懈的奋斗。

　　要接受微弱的一个光子，刚开始的时候，所有人觉得这事儿“太玄乎”，可冷静下来大家仔细一计算，发现用合理的设计，这样的的技术也并不是天方夜谭。要做到，需要的是科学的精神和执着的努力。

　　由于气候恶劣，每年试验队能够在现场工作的时间只有三四个月，所有人想的，都是在最短时间里，完成尽可能多的工作。有一次，在上山安装实验设备时，试验队的运输车遭遇了翻车，三台设备全部被砸坏，所幸没人受伤，当时王所长想不行就先撤回来，实验只能等来年再做。

　　尽管到今天，量子通信在我们眼中依旧神秘莫测，但科研人员从没有停止探索的脚步。随着我国发射世界首颗量子卫星，和天宫二号在轨的量子秘钥分发试验的进行，由量子通信构建的安全的信息世界的模样已经在我们的眼中日渐清晰起来。

　　王建宇： 但是他们这些年轻人说不行，王老师，只要你给我们提供条件，我们一定在那边把设备修好，把实验完成，我当时也不太相信，但最后他们做到了，而且完成了世界上第一个这么长距离的密钥分发的实验。

　　王建宇： 从地面设计，到地面的验证，我们在青海湾的时候，因为那里开阔，每年夏天，七八月份，一直到十月份，十一月份，我们只有帐篷简易房，最冷时候零下几十度。

　　王建宇： 收到了一个，必须搞明白，是天上的哪一个。所以相当于排队，一亿个人排队，必须把它记牢，天地的时间同步，我们是一个纳秒，就相当于一亿分之一秒以上同步的精度，才能把每一个光子记明白。

　　中科院上海光机所量子密钥分发系统主任设计师 王建宇： 天上产生一个光子，我地面要接收到它，这个灵敏度到什么程度呢？就相当于，我在月球上，如果划一根火柴，地面一个望远镜，就要把这个划火柴的过程抓住，要有这个灵敏度，我才能探测到一个光子。

　　潘建伟院士： 第一步，天上的空间实验室和地面来建立一个落实的量子密钥分发，天上的一些单光子往下传输，然后通过一个信道上下互通，可以产生一组原理上是无条件安全的密钥，可以用这种密钥进行对信息进行加密。

　　潘建伟院士 ：我就给它拍个照，这量子里面有一个原理，拍照就对信号有干扰，就会对密钥产生影响，最后接受者可以知道密钥已经被别人看过了。

　　中国科学技术大学常务副校长潘建伟院士（上海）： 平时我们觉得有一堆光照过来，比如说搞一个墨镜，阻挡一下，这个太阳光就变弱了。那么如果说你不停的把它变弱变弱变弱之后啊，你发现这个光是一个个小颗粒，所以这个小颗粒那就不能再被分割了。