量子卫星就要上天了 解密量子通信卫星究竟要干啥

深度解析本周最耀眼板块——量子通信

作者/钟海森

量子通信是啥？

1、定义

咱们先来了解一下量子的概念吧。

量子一词来自拉丁语quantus，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”。

它是现代物理学的重要概念，最早由马克思·普朗克在1900年提出。普朗克假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍。

后来的研究表明，不但能量表现出这种不连续的分离化性质，其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。在此基础上延伸出来的量子力学、量子光学等成为不同的专业研究领域。

而量子通信是利用量子相干叠加、量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信技术，是物理学和信息学的交叉产物。

从物理学角度看，量子通信是在物理极限下利用量子效应现象完成的高性能通信，从物理原理上确保通信的绝对安全，解决了通信技术无法解决的问题，是一种全新的通信方式。

从信息学角度看，量子通信是利用量子不可克隆或者量子隐形传输等量子特性，借助量子测量的方法实现两地之间的信息数据传输。

量子通信中传输的不是经典信息，而是量子态携带的量子信息，是未来通信技术的重要发展方向。

（量子通信与量子理论的关系）↑

量子通信大致的工作系统

（量子通信工作系统流程图）↑

2、量子通信两大核心方案

量子密钥分发(QKD,Quantum Key Distribution)

量子密钥分发是以量子态为信息载体，基于量子纠缠关系和量子不可克隆定理，通过量子信道使通信收发双方共享密钥，是密码学与量子力学相结合的产物。

其具体做法是用弱相干光源发射光子，因为弱相干光源弱到一定程度，光子会被分离出来，把一个信息编码在一个光子上，一个光子有着不同的量子态，把光子通过光纤发射过去，接收方接到密钥后进行解码。

现有的量子密钥分发技术可以实现实验室状态下200公里以上的量子通信，再辅以光开关等技术，可以实现量子密钥分发网络的运用。

（基于QKD的量子通信保密系统）

本质上说，量子密钥分发其实依旧依托于光纤通信，而单光子具有不可分割性是量子密码安全性的物理基础。因而量子密钥分发并非颠覆经典通信，更像是给经典通信增加了更加安全的量子密码保障。

量子隐形传态（Quantum Teleportation）

量子隐形传态又称量子远程传态或量子离物传态，是利用量子纠缠的不确定特性，将某个量子的未知量子态传送到另一个地方，然后将另一个量子制备到该量子态上，而原来的量子仍留在原处。

其基本原理是利用量子纠缠对的远程关联，通过对其中一个纠缠量子和某一个未知量子态进行一些本地测量，实现这个未知量子态在另一个纠缠量子上再现出来。

量子态传送过程是隐形的，通信过程中传输的只是表达量子信息的“状态”，而并不传输作为信息载体的量子本身，通信没有经历空间与时间，不发送任何量子，而是将未知量子态所包含的信息传送出去。

去年，中科大副校长潘建伟院士的“多自由度量子隐形传态”研究被评为 2015年度国际物理学领域的十项重大突破之首。

总结一下，量子密钥分发与量子隐形传态之间一个很重要的区别在于：前者在传送量子态的过程中，光子会经由光纤或自由空间被实际传送到接收方； 后者则不然，纠缠光子对分处两地，量子态在一处消失后，却在另一处被重现，而光子本身却并不被传送。

目前，量子密钥分发已经开始产业化，包括下半年即将完工开通的“京沪干线”，以及沪杭量子通信干线，陆家嘴量子通信金融网等。而量子隐形传态虽然在技术上中国走在美国的前列，但现在仅仅是技术突破，离产业化还尚有距离。

3、量子通信的特性

量子通信的特性不可分割性：因为光子具有不可分割性。在单光子发射的情况下，窃听者不可能采用将光子分成两半，一半用于获得密钥，一半传输给接收方的方式避免被发现。

无法克隆性：因为光子是无法准确测量的，所以不能被窃听者复制。窃听者无法通过准确测量光子，克隆出一个一模一样的量子获取信息。

所以说在量子通信的范畴内，只要窃听者窃取信息，必定会被发现。

另外，随着计算机（尤其是量子计算机的研制）运算速度不断提高，原来经典的、传统的公开密钥算法（RSA）受到冲击，相对只能依靠密码长度和复杂性保证安全性的RSA算法而言，量子通信可以真正做到“一次一密”，真正实现密码无法破译。

市场空间

量子通信属于高科技产品，最初的应用主要在军事需求，超高的安全性，因此，得到国防的大力投入，在研究实力方面，军方的量子通信技术是最高的。随着技术的成熟，量子通信开始向民用拓展，实现科学技术转化成生产力。

《2016-2020年中国量子通信行业深度调研及投资前景预测报告》中指出，量子通信在军事、国防、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，不仅可用于军事、国防?等领域的国家级保密通信，还可用于涉及秘密数据和票据的电信、证券、保险、银行、工商、地税、财政以及企业云存储、数据中心等领域和部门，而技术又相对成熟，未来市场容量极大。

（量子通信应用范围）

其中在专网市场，根据前瞻产业研究院的数据，2014年国内专网通信市场规模约为76.2亿，2012-2014年复合增长率约为14%。

随着量子通信技术的引入，国家对专网的持续投入加大，我们预期专业无线通信市场未来几年将保持高速度增长，保守估计到2020年我国专网通信行业的市场规模将有望达到300亿元，（2014-2020年间复合增速为25.66%）。

由于专网市场增量需求中比较大的一块来源于量子通信的渗透于应用，预计到2020年，将有35%的专网市场有望采用量子通信技术。

因此，在专网市场内，量子通信的专网市场规模有望达到105亿左右。

（国内专网市场规模及增长预期）

而在公网市场，三大运营商的资本支出主要决定了国内公网投资建设的市场规模。由于4G投资，三大运营商在近两年的资本支出出现一定程度上涨，合计达4000亿左右。

未来，随着4G投资的结束，以及营改增对于三大运营商的利润压力，其每年资本支出将出现一定程度回落，预计为3500亿左右。若到2020年，在公网市场，量子通信对于传统通信的替代率为2.5%，量子通信在公网市场中的规模将达到70亿元左右。

量子通信爆发的催化剂首颗量子科学实验卫星将在2016年8月择机发射，将首次实现卫星和地面间量子通信，初步构建我国广域量子通信系统，并推动量子通信在广域网无线加密中的发展。

这将是国际上首次实现星地间量子通信，初步构建我国广域量子通信体系，并极大推动广域量子网络发展。

（量子通信卫星）

而且根据预测，在首颗量子实验卫星发射成功后，我国还将发射多颗卫星，到2020 年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发,届时联接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。到2030 年左右，则将建成全球化的广域量子通信网络。

下半年，京沪干线，杭沪干线和乌镇量子通信城域网建成，标志量子保密城际固网建设逐步展开。

京沪干线：世界第一条量子通信保密干线。2013年，中科院、中国科学技术大学启动“京沪干线”项目，传输距离达2000多公里，途经北京至上海多个城市，主要承载重要信息的保密传输。

（京沪干线示意图）

杭沪干线：全国第一条量子商用干线。该通信干线的速度将10倍于光纤量子通信干线“京沪干线”。从杭州到上海沿线，政府、银行、企业等对数据保密传输需求较高的主体能获取安全性强、保密度高的专线数据服务。

乌镇量子通信城域网：“神州量子”公司将在今年建成乌镇量子通信城域网，届时，所有落户乌镇的互联网企业的数据中心都可以用量子通信网络串联起来，让数据在绝密安全的量子通信网络里互联互通。同时，乌镇的政务数据将在城域网内得到技术上最高级别的保护，乌镇电力系统的运营也将获得城域网的支持，乌镇的无线城市和智慧城市也将在更安全的网络环境中运行。

（量子保密固网示意图）

未来三年京津冀、长三角、珠三角等重点城市群将启动量子通信城域网建设，量子保密固网将初步形成全国性覆盖。

（以上内容由飞笛资讯原创）

量子卫星是什么

科普：什么是量子卫星

量子卫星是什么?简单的来说，是通讯卫星。

量子通信因其传输高效和绝对安全等特点，被认为是下一代通信和计算机技术的支撑性研究。由于量子不可分割、状态不可克隆的特性，将其作为信息载体便可以实现抵御任何窃听的密钥分发，进而保证传输内容的绝对安全。以此为核心研究内容的量子卫星通信，也已成为全球物理学研究的前沿与焦点领域。

说不上来 按照 百分比 来说 打同级大枪 大概打 65%(量子爆弹) 73%压缩炮 10%(只中一下)~85%(全中)(卫星射线) 同级 修罗(板甲代表) 威力减少以上百分比 10~18(装备好可能更多，因为穿板甲)同级狂战(重甲代表) 减伤 以上百分比 14~25(25为暴走状态 低防御中) 鬼泣 运气好 直接 击毙 布甲 不结实嘛~ 剑魂(轻甲代表)65~80

漫游 (皮甲代表) 打同级 85以上

量子通讯卫星是一种传输高效的通信卫星，彻底杜绝间谍窃听及破解的保密通信技术，抗衡外国的网络攻击与防御能力。

量子信号从地面上发射并穿透大气层———卫星接收到量子信号并按需要将其转发到另一特定卫星———量子信号从该特定卫星上再次穿透大气层到达地球某个角落的指定接收地点。

量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，其主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行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；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

2016年8月，中国科学家将发射世界首颗“量子卫星”，这有朝一日或许有助于建立一个极其安全的全球通信网络。全球首颗量子科学实验卫星被正式命名为“墨子号”。

2016年8月16日，中国造量子卫星发射成功！

2016年8月16日01时40分，由中国科学技术大学主导研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功发射升空。“墨子号”是中科院空间科学先导专项中首批确定立项研制的4颗科学实验卫星之一，它的成功发射和在轨运行，不仅将助力于我国广域量子通信网络的构建，服务于国家信息安全，还将开展对量子力学基本问题的空间尺度实验检验，加深人类对量子力学自身的理解。

P.S.以上摘自百度百科

量子卫星是为了按需求传递量子信号的，这是个通讯卫星。因为量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗，如果能够在技术上实现纠缠光子在穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性，人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。简单的说呢，就是信号好。

量子通讯卫星是一种传输高效的通信卫星，彻底杜绝间谍窃听及破解的保密通信技术，抗衡外国的网络攻击与防御能力。

量子信号从地面上发射并穿透大气层———卫星接收到量子信号并按需要将其转发到另一特定卫星———量子信号从该特定卫星上再次穿透大气层到达地球某个角落的指定接收地点。

量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，其主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行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；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。[1]

2016年8月，中国科学家将发射世界首颗“量子卫星”，这有朝一日或许有助于建立一个极其安全的全球通信网络。[2] 全球首颗量子科学实验卫星被正式命名为“墨子号”。

量子卫星就是以量子信号做为卫星与地面之间数据传输媒介的卫星。

量子通讯是利用量子纠缠效应进行信息传递的。量子通讯的主要技术为：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，其基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。

由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗，如果能够在技术上实现纠缠光子在穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性，人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。

中国科学技术大学教授、 中国科学院院士、中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新主任潘建伟说，中科院“量子科学实验卫星”当时预计是2016年7月发射，这既是中国首个、也是世界首个量子卫星。

在空间轨道进行量子通信的卫星叫量子卫星

这是是公开的实验，这么大的动作和费用瞒不了谁。

问题一：量子卫星是什么？有什么用 量子卫星是为了按需求传递量子信号的，这是个通讯卫星。因为量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗，如果能够在技术上实现纠缠光子在穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性，人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。简单的说呢，就是信号好。

问题二：什么是量子卫星？用途是什么？ 量子卫星指的是量子通信试验卫星。它的用途是试验量子通信的可行性。

它主要是向地面发送量子密钥。简单的说从A地到B地发送一个密电，这个密电可能用光缆发送，也可能用卫星发送。但是B地需要通过卫星接收一个密钥（可以简单的理解为一种密码），只有正确接收到这个密钥，B地才能将A地发送的密电破译出来。这时如果C地有一个间谍，他在偷听密钥，由于量子通信的特殊性，就会触发量子坍缩，于是整个密钥就废了。之后会发生两件事情：第一，C无法接收到正确的密钥；第二，A和B会立即发现有人在窃听，于是A会停止发送密电，或者换一个方式或者渠道去发送密电。因此这个密电在理论上是不可能被破译的。

在网上和媒体上对于量子通信有大量错误的理解，其中一个最关键的错误在于量子坍缩的结果是随机的，所以“隐态传送”实际上不能加载任何有用的信息。

量子通信的作用是保密。超光速通信在量子物理的理论上也是不存在的。

问题三：量子卫星和卫星有什么区别 量子卫星的信号传输，利用超距作用（两个量子的无时差纠缠，不违反相对论），无法窃听，无法破解，不可分割，不可复制。

问题四：量子卫星到底有多牛 8月16日凌晨，伴随着世界首颗量子科学实验卫星在酒泉圆满发射成功，中国人的“飞天”梦想再一次在这片古老的土地上绽放，从此，头顶的浩瀚的星空里也多了一份属于中国和世界的“量子”牵挂。

从最初的研制到发射，量子卫星承载了太多关注的目光与期许，那么，这颗举世瞩目的“新星”到底有多牛气？其技术实现难度又有多高？在酒泉卫星发射中心，量子科学实验卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇，向《中国科学报》记者讲解了量子卫星技术的诸多“极限挑战”。

天地一体化连通：从太空向地面存钱罐扔硬币

在量子通信中，最大的难点在于如何实现天地一体化的量子联通。这就好比在万米高空，往地面的一个存钱罐里扔硬币，需要准确地将硬币投掷于储蓄罐的狭小入口。如果出现一点点偏差，信息的传递便会功亏一篑。

“量子的编码，就像计算机编码0101一样，有正负、垂直、水平等不同状态，要把量子的偏振方向检测出来，才能变成密码。”王建宇介绍说，量子里面有两组状态，一组是正交的，一组是倾斜45度的，所以，一共有四个不同的偏正状态。

不仅如此，地面上的存钱罐（接收装置）和天空中的投掷者（量子卫星）也不安生，它们都在不停地旋转运动。

“这就是瞄准和检测偏正的最大难度所在，我们要在双方都处于运动状态的情况下完成信息传递。”王建宇强调，稍微对不上一点点都不行，如果这样，地面上收到的就是误码了。

据王建宇介绍，一旦误码率高于3.5%，信息传输就没有意义了。“3.5%是个底线，通常我们会把误码率控制在1%~2%之间。”

探测器灵敏度：在地球上看到月球的火柴光

如果说从太空向地面存钱罐扔硬币已经让人感到咋舌，那接下来的技术则更加让人目眩。

量子卫星采用的是单光子探测器，其目的是实现对每一个光子的捕捉。那么，这是一个什么概念呢？

“一个60瓦的灯泡，每秒钟发射的光子数大约是10×10的二十次方个，而一根火柴的最大光亮大约是3~5瓦。”王建宇说，量子卫星探测器灵敏度相当于在月球上点根火柴，我们在地球上用望远镜可以看到它的亮光。

如果考虑到火柴点燃后，光向四面八方的扩散效应，其观测难度可想而知。“探测器的灵敏度必须达到这种程度，才能捕获来自太空中的一颗颗光子。否则的话，天上的量子卫星就没有存在的意义了。”王建宇说。

时间同步设置：一秒钟给一亿个光子排排队

在太空中，量子卫星每秒钟大约向地面发射一亿个光子，需要地面接收装置对所有光子进行接收。然而，这个接收过程并非来者不拒，而是要讲究个先来后到。

“我们必须知道每个光子是第几个发出来，信息传递就是必须发送端和接收端是能够对的上的，要有一个完整的序列。”王建宇说。

将光子们一一对接起来的办法，就是时间同步。“我们现在的接收频率能做到一个纳秒，也就是在一秒钟之内，把一亿个光子全都排列好。”

心理难关：这是一项从未有过的探索

与此前众多追赶、超越的老剧本不同，量子通信这条路，是中国科学家自己一步步趟过来、摸出来的。

“我们以前做各种各样的卫星的时候，一般都有个参考。尽管人家不会把技术告诉你，但是至少心理上是有个预期的，因为别人已经做成了。我们相信通过自己研究总能成功，心里有这个底。此外，中国已经有很多例证，尽管起步晚，但却实现了赶超。”王建宇如是说。

然而，量子卫星不一样。“这个东西到底行不行，刚开始做的时候，我们心里真的是没底。”王建宇感概地说，尽管我们经手的大大小小的卫星研制工作已经无以计数，但量子卫星对于所有参与者都是一个从未有过的巨大挑战。

谈及量子卫星的发射成功，王建宇很是平淡。“对于人类探索量子物理世界和空间科学的脚步而......>>

问题五：量子卫星是什么？有什么用 量子卫星是什么？有什么用

量子卫星指的是量子通信试验卫星。它的用途是试验量子通信的可行性。

它主要是向地面发送量子密钥。简单的说从A地到B地发送一个密电，这个密电可能用光缆发送，也可能用卫星发送。但是B地需要通过卫星接收一个密钥（可以简单的理解为一种密码），只有正确接收到这个密钥，B地才能将A地发送的密电破译出来。这时如果C地有一个间谍，他在偷听密钥，由于量子通信的特殊性，就会触发量子坍缩，于是整个密钥就废了。之后会发生两件事情：第一，C无法接收到正确的密钥；第二，A和B会立即发现有人在窃听，于是A会停止发送密电，或者换一个方式或者渠道去发送密电。因此这个密电在理论上是不可能被破译的。

问题六：什么是量子卫星 量子信号从地面上发射并穿透大气层―――卫星接收到量子信号并按需要将其转发到另一特定卫星―――量子信号从该特定卫星上再次穿透大气层到达地球某个角落的指定接收地点。

2016年8月，中国科学家将发射世界首颗“量子卫星”，这有朝一日或许有助于建立一个极其安全的全球通信网络。全球首颗量子科学实验卫星被正式命名为“墨子号”

问题七：量子卫星到底是干什么用的 主要用来进行星地之间或者行星之间的信号信息传输，主要特点是保密性强

问题八：量子卫星的优点 由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗,如果能够在技术上实现纠缠光子再穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性,人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。

问题九：中国发射的量子卫星“墨子号”到底是干什么用的 墨子号应该可以算作通讯卫星当中的一种。只是，和传统的通讯卫星直接传递信息不同，墨子号的工作不是传递信息本身，而是分配“密钥”――解码加密信息的“钥匙”。

这把密钥的加密性能，比历史上人类使用过的所有密码本、阿兰?图灵造计算机想要破译的Enigma密码、Touch-ID， “两步验证”甚至PGP系统还要高，可以说不在一个级别上。

以往的密码/密钥，要么是固定的，要么非固定但按照一定的逻辑变化，从而有迹可循，让人们可以使用计算机技术或通过社会工程学来破译。量子密码的安全型提到了前所未有的新高度，几乎无法破解。

它利用了量子科学无比浪漫的基本原理：

两颗纠缠的光子被拆散之后，无论相距多远总会心灵感应，一个形态发生变化，另一个会像镜子一样同步变化。

光子组成了密钥，墨子号就是向地面发射光子的卫星――一颗量子密钥分发卫星。

墨子号随长征-2D运载火箭升空，卫星将进入500千米太阳同步轨道墨子号随长征-2D运载火箭升空，卫星将进入500千米太阳同步轨道

举个例子，打仗，A 地长官向 B 地前线部队发送军令。墨子号可以将许多组每组两颗纠缠态光子拆开，发射给 A 和 B 两地。当 A 地“观测”这些光子，就像用手去触摸了它们一样，会让这些光子发生形态变化。同时，发射到 B 地的光子也会产生一模一样变化。把这些光子的形态，按照固定顺序记录下来，就变成了一组密钥。A 地按照这个密钥加密发送的信息，B 地手里已经拿到了解码的密钥，能够顺利解密信息

问题十：量子卫星和普通卫星有什么区别 量子卫星的运算速度比普通卫星要快得多，传输的数据量也是普通卫星无法比拟的。至于动力方面，两者如果技术水平相当，动力是相差不大的。

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