这两天，量子信息圈的新闻被“墨子号”成功实现千公里无中继量子密钥分发的消息刷屏了。当然，这是该成果正式发表在《自然》后才公布于众的，其实这个工作应该在一年前就完成了。

一项科研成果从诞生到正式发表，特别是发表在国际顶级期刊上，周期还是漫长的，这也恰恰说明了科学家们的严谨和务实，科研类成果在经过同行评议正式发表前，是不会去搏眼球搞宣传的。

那么这次的成果为什么意义重大呢？“千公里无中继”。

量子通信目前最佳的信号载体就是光子，除非在真空（注意，这是亮点）中传播，光子在其他各种介质中传播都会有损耗。所以无中继的传输距离体现了我们能够依靠量子物理的特性走多远的技术水平。

目前商用量子密钥分发产品可以在超过100公里的无中继光纤中提供标准的服务，而在实验室中，量子密钥分发最远的无中继光纤传输距离在300～400公里。最近中国科学家实现的实验室500公里以上的量子密钥分发实验，那是在传输线路的中间地方设有探测节点，当然这个节点的安全性由量子物理保障，所以量子物理的安全特性实际上是保障500公里以上的。

那么，再远该怎么办呢？

目前常用的方式就是“可信中继”，把一段一段由量子物理保障安全的链路用非量子的手段链接起来。（注：关于“可信中继”的安全性担心，这一点没有人否认，但可能不像大家想象的那样脆弱，信息安全本身就是一个系统工程，有效结合各种技术的长处而提供有效的应用是王道。目前，可信中继的一系列安全增强及防护技术正在进行国际和国内的标准化，而且从作为必不可少的密钥服务中心节点的角度看，预计在未来的10年内，可信中继将会一直在实用化的量子密钥分发网络中发挥重要的作用。）

而“量子中继”的思想就是要在中继的位置通过光子与其他量子系统来交换、保存量子状态，从而“不落地”的中继量子物理的特征。量子中继的成熟估计还需要10年以上，那么千公里的、没有任何中继的、纯粹的量子通信要等多么久呢？

先说“千公里”。光在介质中传输的损耗是客观存在的，破解之道是上文中提到的“亮点”——真空。

让我们仰望星空，真正广袤的是真空，而我们却常常被薄薄的大气层和细细的玻璃丝（光纤）限制了想象力。光在光纤中传输多远，损耗就有多远；而我们头顶上的大气层是有限的，只要冲破大气层进入真空，光的传输就基本上没有损耗了！无论我们在地球上距离多远，如果我们利用头顶上的共同的宇宙空间，需要解决的光传输损耗也就几乎永远是头顶上有限的大气层了。是不是感觉脑洞一下子打开了？

粗略的估算一下，我们头顶大气层对光的传输损耗基本上和接近地面的10～20公里的水平大气相当，和100～150公里的标准光纤相当。如果我们能随着“墨子号”走入太空，回望地球，感受他的视野，只要看得到的地方，多少个“千公里”感觉也不在话下了。

再说“无中继”。

上网查量子通信的定义，某度就会给出“是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通讯方式”。其实，根据国际学术届的共识“量子通信是指利用量子比特作为信息载体来进行信息交互的通信技术。量子通信有两种最典型的应用方式：量子密钥分发和量子隐形传态。”（参考2019发布的《量子信息与量子技术白皮书》（合肥宣言））。而通常大家会感觉“不纠缠就不舒服斯基”，以至于多年来，很多人都认为只有应用了纠缠效应的“量子隐形传态”才是真的量子通信，而使用非纠缠效应的量子密钥分发被误认为不是量子通信。

这次“墨子号”的成果大家应该满意了，就是使用纠缠实现了量子密钥分发。量子密钥分发有不同的实现方法，最著名的就是非纠缠方案的BB84协议。其实和BB84齐名的还有基于纠缠效应的E91协议（就是这次成果的英国合作者Artur Ekert在1991年提出的，本次实验应用的是E91协议和其衍生的BBM92协议）。正是由于通常纠缠的获取和远距离传输相对比较困难，因此一般的商用QKD产品都没有使用纠缠方案的，以至于有朋友感叹：“原来这次就是E91，以前都是在教材和文章里见到，基本作为BB84的陪衬出场，从来没有实用的，现在终于用上啦。

“墨子号”上的纠缠光子源从“上帝的视角”向地面间隔千公里的两接收站发射光子对，接收者获得光子后进行贝尔态检验来验证纠缠，并实施基于纠缠的QKD协议，这样接收者就能共享量子密钥了。由于“墨子号”只作为光源，只要地面上的接收者验证获得了纠缠资源，共享密钥的产生过程和“墨子号”就没关系了，因此，量子密钥分发的过程中实现了"无中继"。从另一个角度，"墨子号"即便被敌人监听或控制，只要地面能得到纠缠资源，量子密钥分发的安全性就是与"墨子号"无关的。

这是一次壮举！让我们领略了“墨子号”科学家们在空间和时间维度上的视野。

用卫星搭载量子科技的梦想进入太空，中国的科学家敢想敢干。“墨子号”设计寿命原本只有两年，而且既定的三项任务在卫星发射后的约一年内都完成了。然而，“墨子号”的科学家们没有感觉功成名就，而是继续将这个空间科学平台发挥到极致，洲际量子密钥分发、探测引力效用、安全星-地时频传输还有这次的千公里无中继量子密钥分发等等，为我们展现了空间量子互联网的未来，这些无不引领了国际空间量子科学研究的潮流，无不打脸那些当年贬低“墨子号”只是一颗普通激光通信卫星的人。

可以说“墨子号”量子科学卫星是大科学装置中的性价比标杆！也更让我们相信，在更大的平台上，中国科学家们的创造力是无法估量的！

在清华大学王向斌教授最近的一篇介绍“墨子号”这一成果的文章中，王老师展示了几张“墨子号”团队成员的照片，让人感慨这十几年追梦历程，一批青年步入了中年，学生成为了老师；让人感叹科技创新不是一蹴而就，不是灵光乍现，需要十年、二十年甚至五十年的视野和坚守。

量子信息虽然是一个新兴的领域，但也已经承载了一代人的青春，也必将在更大的空间和时间尺度上，承载中国量子科技创新的梦想、希望和力量！