揭秘全球首顆量子衛(wèi)星

“墨子”升空，無條件安全通信成可能揭秘全球首顆量子衛(wèi)星本報記者劉詩瑤《人民日報》（20年1068月16日1版2）隨著我國成功發(fā)射世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，人類將首次完成衛(wèi)星和地面之間的量子通信，從而構(gòu)建一個天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。什么是量子和量子通信量子是物理世界里最小的、不可分割的基本個體?？梢哉f，整個世界都是由量子組成的。而量子理論，被稱為物理世界的百歲“幽靈”，連不少科學家都為其產(chǎn)生的神秘現(xiàn)象所迷惑，對于普通人來說自然更加高深。但若試著走近它，你會發(fā)現(xiàn)這個“幽靈”的魅力。量子的奇妙之處首先在于它的奇妙特性——量子疊加原理和量子糾纏。什么是量子疊加原理？就是說，量子有多個可能狀態(tài)的疊加態(tài)，只有在被觀測或測量時，才會隨機地呈現(xiàn)出某種確定的狀態(tài)，因此，對物質(zhì)的測量意味著擾動，會改變被測量物質(zhì)的狀態(tài)?！斑@就好比孫悟空的分身術(shù)”，量子衛(wèi)星首席科學家、中科院院士潘建偉解釋道，“一個孫悟空同時出現(xiàn)在多個地方，孫悟空的各個分身就像是他的疊加態(tài)。在日常生活中，我不可能同時出現(xiàn)在兩個地方，但在量子世界里，作為一個微觀的客體，它同時出現(xiàn)在許多地方?！倍^的量子糾纏，則意味著兩個糾纏在一起的量子就像有心電感應的雙胞胎，不管兩個人的距離有多遠，當哥哥的狀態(tài)發(fā)生變化時，弟弟的狀態(tài)也跟著發(fā)生一樣的變化?！叭绻@兩個光量子呈糾纏態(tài)的話，哪怕是千公里量級或者更遠的距離，大家認為，還是會出現(xiàn)遙遠的點之間的詭異互動。”潘建偉補充道，兩個處于糾纏狀態(tài)的粒子無論相距多遠，都能“感應”對方狀態(tài)，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”?？茖W家就可以利用這種效應將甲地某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來。隨著這兩種特性被科學家不斷認識，適用于實際應用的新技術(shù)也被逐漸開拓出來，量子通信就是其中之一。以往用以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機技術(shù)傳遞信息極易遭遇竊聽，但通過把量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合，利用量子調(diào)控技術(shù)，能夠用一種革命性的方式對信息進行編碼、存儲、傳輸和操縱，從而在確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度等方面突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸，這就是量子通信。通常認為，量子通信分為兩種，一種是量子保密通信（量子密鑰分發(fā)）；另外一種是量子隱形傳態(tài)。量子保密通信，就好比一個人想要傳遞秘密給另外一個人，需要把存放秘密的箱子和一把鑰匙傳給接收方。接收方只有用這把鑰匙打開箱子，才能取到秘密。沒有這把鑰匙，別人無法打開箱子，而且一旦這把鑰匙被別人動過，傳送者會立刻發(fā)現(xiàn)，原有的鑰匙作廢，再給一把新的鑰匙，直到確保接收方本人拿到。那么，為何鑰匙被別人一碰，就能立刻被知曉呢？因為，科學家利用了上面提到過的量子有多個疊加態(tài)的原理，用量子作為密鑰。這樣一來，一旦有人試圖截獲或測試量子密鑰，就會改變量子狀態(tài)，科學家便能立刻從改變中發(fā)現(xiàn)有人動了鑰匙。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性，就能實現(xiàn)無條件安全的通信方式。量子通信的另一種——量子隱形傳態(tài)也利用了量子的兩大特性，通過隱形傳輸實現(xiàn)信息傳遞。也就是說，將粒子的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠地點而不用傳送粒子本身。為何要發(fā)射量子衛(wèi)星量子保密通信技術(shù)已經(jīng)從實驗室演示走向產(chǎn)業(yè)化。在城市里，通過光纖建構(gòu)的城域量子網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)開始嘗試實際應用，我國在城域光纖量子通信方面已取得了國際領(lǐng)先的地位。那為什么還要把量子實驗室從地面搬到太空呢？“由于光纖的固有損耗，在光纖中實現(xiàn)遠距離量子通信面臨著巨大挑戰(zhàn)。”潘建偉說。原來，用量子通信方式傳遞信息，傳送的是光的最小能量單元。但這種最小的顆粒，不能再被分割，也不能復制。即使采用目前最先進的理想單光子探測器，在100公0里光纖中進行點對點量子通信，每30年0也只能傳輸一個比特?！熬秃帽纫恢碛?0萬0人的隊伍，到最后可能只剩下幾個人，花了很長時間才能抵達目的地?！边@種受制于光纖，不能放大量子通信信號的問題，導致了在遠距離上信息傳遞效率很低，令科學家們一籌莫展。雖然通過量子中繼手段，即分成若干段傳輸來降低每一段的損耗，用“量子接力”的方式解決這一難題，但走向?qū)嶋H應用還需時日。后來，科學家意識到，真空里不會有光的損耗，想要實現(xiàn)覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)。200年5，潘建偉團隊實現(xiàn)了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實驗，證明光子穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持，從而驗證了星地量子通信的可行性。近幾年開展的一系列后續(xù)實驗都為發(fā)射量子衛(wèi)星奠定了技術(shù)基礎(chǔ)?！斑@樣一來，通過發(fā)射衛(wèi)星，去除干擾因素，就可以實現(xiàn)幾千公里的量子通信?！迸私▊フf，有了量子衛(wèi)星，還可以在宏觀距離上檢驗所謂的量子力學的非局域性，也就是“幽靈般的超距作用”?！翱纯丛趯嶒炇依锊粩啾恢貜蜋z驗的理論，放在太空是否還能實現(xiàn)。”將開展哪些實驗“量子衛(wèi)星的科學目標是開展星地高速量子密鑰分發(fā)實驗，并在此基礎(chǔ)上進行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；在空間尺度進行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。”潘建偉介紹。量子衛(wèi)星將主要開展星地高速量子密鑰分發(fā)實驗、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實驗、星地量子糾纏分發(fā)實驗、地星量子隱形傳態(tài)實驗共4項科學實驗。其中，星地高速量子密鑰分發(fā)實驗就像從衛(wèi)星向地面分發(fā)鑰匙，實現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間以量子密鑰為核心的保密通信試驗。當量子密鑰產(chǎn)生后，通信雙方即可進行保密通信，這個過程從原理上已經(jīng)證明是絕對不可竊聽、無法破譯的，因此整個通信過程是無條件安全的。廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實驗則將在兩個光學地面站間，通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的方式組建真正意義的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。“比如當衛(wèi)星飛過北京上空時，通過星地量子密鑰分發(fā)過程，在北京和衛(wèi)星間建立密鑰；同理，當衛(wèi)星飛過烏魯木齊上空時，通過星地量子密鑰分發(fā)過程，在烏魯木齊和衛(wèi)星間建立密鑰。這樣，北京和烏魯木齊之間就能建立絕對安全的量子密鑰。”潘建偉舉例，用這種方式就能夠?qū)蓚€分隔遙遠的地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)通，真正實現(xiàn)廣域覆蓋量子通信網(wǎng)絡(luò)。這些量子科學實驗非常復雜，難度極大，是“針尖對麥芒”的挑戰(zhàn)。這些實驗能夠產(chǎn)生經(jīng)過編碼的，甚至是糾纏的光量子并發(fā)射到地面上，與之對接的地面系統(tǒng)則負責“接收光量子”，這種光量子的發(fā)射與接收被稱為“針尖對麥芒”?！霸诹孔有l(wèi)星飛行的過程中，攜帶的兩個激光器要分別瞄準兩個地面站，向左向右同時傳輸量子密鑰。這就要求在飛行的過程中必須始終保證精確對準，跟蹤要達到相當高的精度，這也是國際上從來沒有人做過的?！敝袊茖W院空間科學與應用研究中心主任、空間科學先導專項科學衛(wèi)星工程常務(wù)副總指揮吳季說。量子科學實驗衛(wèi)星工程常務(wù)副總設(shè)計師、衛(wèi)星總指揮王建宇說，如果把光量子看成一個個1元硬幣，星地實驗就相當于要從在萬米高空飛行的飛機上，不斷把上億枚硬幣發(fā)射到地面上一個不斷旋轉(zhuǎn)的儲蓄罐上，不但要求這枚硬幣擊中這個儲蓄罐，而且要使得硬幣能夠準確地射入儲蓄罐細長的投幣口，并且硬幣要源源不斷地進入儲蓄罐內(nèi)。作為我國第三顆科學實驗衛(wèi)星，量子衛(wèi)星將使我國在世界上首次實現(xiàn)星地量子通信，真正體現(xiàn)量子通信可向廣域范圍發(fā)展的可能性，搶占國際競爭主動權(quán)。它還將使我國在國際上首次實現(xiàn)具有空間大尺度的量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，率先開展一系列空間尺度的量子力學基礎(chǔ)檢驗實驗，帶動我國量子物理整體水平的大幅度提升。未來有什么應用據(jù)專家介紹，量子衛(wèi)星發(fā)射后，天地一體化量子科學實驗系統(tǒng)將投入正式運行，而“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程預計今年下半年交付?！按笠?guī)模推廣量子通信應用后，將極大提高人們信息傳輸?shù)乃矫苄院桶踩??！迸私▊フf，建好“量子互聯(lián)網(wǎng)”后，人們不用再擔心任何信息泄露，從而避免惡意攻擊和欺詐行為。量子保密通信，能夠從三個方面保障信息安全。第一，發(fā)送者和接收者之間的信息交互是安全的，不會被竊聽或盜取。第二，“主仆”身份能夠自動確認，只有主人才能夠使喚“仆人”，而其他人無法指揮“仆人”。第三，一旦發(fā)送者和接收者之間的傳遞口令被惡意篡改，使用者會立刻知曉，從而重新發(fā)送和接收指令?！靶畔踩旧闲枰鉀Q的，就是傳輸內(nèi)容不被別人知道、保證接收者是和發(fā)送者對話，以及信息不被篡改。”潘建偉說，僅僅發(fā)射一顆衛(wèi)星是不夠的，只有形成星座才能建構(gòu)起網(wǎng)絡(luò)，而且需要地面配置相應基礎(chǔ)設(shè)施，確保網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接到千家萬戶?！氨热?，將來可以在手機中植入量子加密芯片，用來接收并存儲密鑰?！迸私▊?/p>