学术 我的偶像是一颗卫星

这颗与众不同的卫星从命名到实际价值都注定了它的划时代意义。它承载着一个新的科学时代的希望，更稳固了中国在尖端科学应用领域的世界领先地位。...



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你们的偶像都是明星，而我的偶像是一颗卫星。

韩寒《后会无期》

这个8月似乎注定是一个充满话题的季节。

从奥运会的各种热点到槽点再到某公众人物的个人申明，总之，乱象频现，风波迭起。

但是，8月16日发生的事情，不应该被排山倒海的娱乐新闻所淹没，小编今天就带您探秘一颗重要的卫星。

2016年8月16日1时40分，搭载世界首颗量子实验卫星“墨子号”的长征二号丁运载火箭在甘肃酒泉卫星发射中心成功升空。这颗与众不同的卫星从命名到实际价值都注定了它的划时代意义。它承载着一个新的科学时代的希望，更稳固了中国在尖端科学应用领域的世界领先地位。

量子力学被认为是人类最前沿的理论科学研究领域，它突破了经典物理学对物质世界和宇宙的认识理论体系，重构出了一个更加具有魔幻色彩的新世界。

那么什么是量子力学呢？《中国中学教学百科全书·物理卷》告诉我们“量子力学就是描述微观粒子运动基本规律的理论”。首先，由于我们已经知道原子并不是最小的物质单位，并且把那些只能以某一最小单位的整数倍发生变化的物理量取名为量子。因此量子就是理论意义上的最小物质。

奇妙的是，人们发现在微观层面的粒子运动形态和规律与宏观物质层面的经典力学描述不符，“波粒二象性”这个微观世界的奇妙想象催生了量子力学研究。

什么是波粒二象性？从17世纪开始，理论物理学家就没有停止过对一个问题的思考，那就是“光”的性质问题。光到底是从一个物体发出的微粒？还是一种连续传递的波动？各家学派争论不休。直到1905年爱因斯坦提出光量子假说，完满解释光电效应，统一光的波动性和粒子性才让这个谜题告一段落。从此，“波粒二象性”这个神奇的概念激发了人类无限的想象。1924年，德国青年物理学家德布罗意提出了物质粒子的波粒二象性假设，并在其他一些实验中也观察到原子、分子、中子等微观粒子的衍射现象。由此，微观量子世界的大门被徐徐推开。

量子力学的影响从物理学逐步拓展几乎蔓延到了整个自然科学领域，甚至更进一步的影响到了哲学并挑战着人类对于物质世界和精神世界的一些根本认知。作为最前沿的理论科学，如今依然有很多未解之谜和研究瓶颈，学术界的争论还将持续……但是，我们发射的这颗卫星到底有什么用？

“墨子号”是一颗科研实验卫星。也就是说，我们是把一个量子实验室送上了太空，需要完成的主要实验任务集中在量子通信领域。我们希望借助卫星平台与地面通信站进行高速量子密钥分发实验，并在此基础上开展广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。

简言之，我们绕过了目前理论研究的瓶颈，另辟蹊径，在可利用的知识原理的技术转化方面尝试突破。

其实从这颗卫星的命名，就可以看出强烈的“务实精神”。墨子是春秋战国时期著名的政治家、思想家和科学家，也是著名的墨家学派的创始人。在百家争鸣的时代，墨家是最具有“实用主义”精神的理论流派。在任用人才方面，墨子主张“贤者举而上之，富而贵之， 以为官长，不肖者抑而废之，贫而贱之，以为徒役”，这样重视实际效益而弱化社会阶层等级制度的思想在今天的人看来理所当然，但在2000多年前的崇尚周礼的社会却并不是主流。

不但如此，墨子还是中国历史上有名的科学家，在自然科学方面，《墨经》中记述了丰富的力学知识（如机械运动、浮力原理、杠杆平衡原理等）；几何光学知识（如针孔成像、 物体与投影的关系，平面镜、凹面镜和凸面镜成像的原理等）；还有声学、数学和几何学方面的知识。

可见，以中国科技大学为主导的团队在此次量子通信实验卫星项目的立意上可谓“上承古风”。

那么量子通信是什么？价值又在哪里？通信就是A与B两者之间的信息传递，而秘密信息传递必定需要某种特定的密钥来帮助A与B两者确认对方身份。古代的作战的兵符就是最形象的密钥。在现代社会，无论是电话还是网络，这些经典的信息传递依赖的密钥传递介质都有被窃听、破译的风险。唯独量子通信可以从根本上解决信息安全的问题，这也是量子通信最核心的价值。

中国科学技术大学翁攀峰博士将量子通信定义为利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式。所谓的量子纠缠与“波粒二象性”的含义具有相关性，可以理解为微观粒子同时处于多种可能的叠加状态，这种状态超越了我们理解的计算机二进制的非“0”即“1”，而呈现出一种既“0”又“1”的纠缠形态。

利用量子纠缠以及所谓“测量就是改变”的量子力学基本原理，从理论上讲，只要运用处于这种叠加状态的物质作为密钥，信息就没有任何被截取的风险。因为一旦对这个量子纠缠状态的物质采取任何行为都会让信息自动毁灭，并且让信息接受者从量子态的改变了解到信息曾经被截取过。

而本次发射卫星要实验的项目就是超远距离星地高速的量子通信的关键步骤：纠缠分发、密钥分发和量子态隐形传输。既要让环绕地球轨道运行的卫星与地面的5个接收站（北京兴隆、乌鲁木齐南山、青海德令哈、云南丽江为4个量子通信地面站，西藏阿里为1个空间量子隐形传态实验站）直线实时对准，保证纠缠光子的密钥分发时可以找到接收者；又要让通讯一直处于光量子纠缠的量子隐形传态。这都会成为实验的难点。

《自然》杂志曾经评论说：“在量子通信领域，中国用了不到十年的时间，从一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅。” “墨子号”量子通信实验卫星的成功发射的确让世界再次见证了中国的科研能力和技术水准。我并不能知道“墨子号”量子通信的星地实验能否成功，我也不知道量子力学还有多少奥妙等待后来者去探究。但是我知道：一个新的时代和纪元正在到来。在这个新的时代里，知识是最核心的竞争力。我们能做的就是不断地思考和学习，在过程中超越极限、突破自我。在新的世界，争得一席之地。

文/ 秦懰    编辑/ 秦懰     责编/ 郁强

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 参考文献

[1]阎金铎 主编.中国中学教学百科全书·物理卷.沈阳：沈阳出版社.1990.第363-364页.

[2]林崇德,姜璐,王德胜 主编;时龙 分卷主编.中国成人教育百科全书·政治·法律.海口：南海出版公司.1992.第637-638页.

[3]刘乾先,董莲池,张玉春等 主编.中华文明实录.哈尔滨：黑龙江人民出版社.2002.第612-613页.

[4]沈鑫甫等 编.中学教师实用化学辞典.北京：北京科学技术出版社.2002.第64页.

[5]李景镇 主编.光学手册·上卷.西安：陕西科学技术出版社.2010.第103-105页.

[6]记者 桂运安. 量子保密通信“京沪干线”启动[N]. 安徽日报,2014-01-29(002).

[7]中国科学技术大学人文与社会科学学院博士 翁攀峰. 量子通信如何做到安全保密[N]. 人民日报,2014-01-20(020).

[8]记者 陈海波. 我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”[N]. 光明日报,2016-08-16001.

[9]记者 高博. “墨子号”量子科学实验卫星发射升空[N]. 科技日报,2016-08-16001.

[10]本报记者 佘惠敏. “墨子号”是怎样炼成的[N]. 经济日报,2016-08-16001.

[11]本报记者 桂运安. 探秘“墨子号”[N]. 安徽日报,2016-08-16005.

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