“墨子”量子卫星意义解析

文章作者:lili | 2016-08-16
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中国16日凌晨在酒泉卫星发射中心,用长征二号丁运载火箭发射了世界首颗量子科学实验卫星,它将在太空向地面发送不可破解的密码以建立最安全保密的量子通信,并将对微观量子世界最离奇诡异的现象开展科学实验研究。

  这颗卫星被起名为“墨子”,以纪念那位生活于2000多年前,崇尚科学的中国古代思想家。他是世界上第一位开展光学实验的科学家。

  量子卫星将在两年的设计寿命中完成四大任务:星地高速量子密钥分发实验;广域量子通信网络实验;卫星向相距1200公里的地面站分发纠缠的光子,在更宏大的尺度上测试被爱因斯坦称为“诡异的”量子纠缠现象;还计划在“世界屋脊”西藏阿里和卫星之间实现量子隐形传态实验。

  600多公斤重的量子卫星带有四个有效载荷:量子密钥通信机、量子纠缠源、量子纠缠发射机、量子实验控制与处理机,它将在距离地面500公里高的太阳同步轨道,大约90分钟绕地球一圈。

  专家说,如果卫星成功运行,中国将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,并结合地面已有的光纤量子通信网络,初步构建一个广域量子通信体系。这颗卫星将改变加密学,为中国打造坚不可摧的通信系统铺平道路,也意味着中国将成为全球量子通信技术的领头羊。

  “量子科学实验卫星的发射,表明中国正从经典信息技术的跟随者,转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者。”量子卫星首席科学家、中国科学院院士潘建伟说。

  这种安全的量子通信在国防、军事、金融等领域应用前景广阔。专家预测,量子通信技术可能在20至30年后对人类社会发展产生难以估量的影响。

  诺贝尔物理学奖得主、美国科学院院士安东尼·勒盖特说:“在太空上远距离对量子力学的预测进行检验,我认为这将是非常有趣的一项实验。”“如果量子科学实验卫星上的实验能够获得成功,那么它肯定为最终的量子互联网打下坚实的基础。”

  幽灵般的纠缠

  除了在建立量子通信网络方面的巨大应用价值,这颗世界上首个专门用于量子研究的空间探测器还将为理解量子物理的一个最深远和最令人费解的现象——量子纠缠迈出重要一步,将为物理学家提供一个测试量子理论基础以及探索如何融合量子理论与爱因斯坦广义相对论的全新平台。

  量子物理世界一个奇异现象是纠缠效应,量子纠缠可以把两个或者更多粒子的命运关联在一起。在这一奇特关联中的粒子“心心相印”,无论它们是在同一间实验室还是相隔整个星系,当测量其中一个状态时,另一个状态也会即刻发生相应改变。形象点比喻,这就如同两张相距甚远的纸张,人们在其中一张纸上书写的时候,另一张纸上会立刻显现所书写的信息。

  爱因斯坦将其称为“遥远地点之间诡异互动。”但是为什么会有这种现象?这依然是一个深奥的谜。

  “对量子纠缠而言,在宏观的大尺度距离上,会不会有什么变化,会不会受到引力的干扰,实验上还是未知的。在卫星的帮助下,我们可以对物理学的一些基本问题做一些基本探索和检验,可能有新的物理发现。”潘建伟说。

  另外,中国科学家还计划在“世界屋脊”西藏阿里和卫星之间做一个有趣实验——量子隐形传态。

  此前,科学家开展的量子隐形传态实验都是在地面进行的,“这次我们要测试能不能把地面的微观量子态传到太空。”潘建伟说。

  虽然这与《星际迷航》中的“超时空传输”很类似,但目前科学家开展的量子隐形传态实验中,被传输的是信息而并非实物,而且仅限于一两个粒子的信息。距离隔空传输宏观物体的信息,哪怕是一粒沙子,都还很遥远。

  即使永远无法进行真正的宏观物质的量子隐形传送,这并不意味着这种技术的发展不重要。量子隐形传态在量子计算机和量子通信中发挥着巨大作用。

  量子“矛”“盾”

  尽管神秘、令人琢磨不透的量子力学还迷雾重重,科学家们却已在利用量子世界的奇异特性开发威力强大的量子计算机和最为安全的量子通信。

  量子计算利用量子态的叠加性质,可以实现计算能力的飞跃。太湖之光需要用100年计算的难题,量子计算机或许只需0.01秒。

  然而,一些人对于量子计算机的恐惧多于期待。有专家指出,对于现有信息安全系统而言,一旦量子计算机横空出世,它将成为一支“利剑长矛”,可以攻破现在所有的密码。

  所幸的是,量子物理同时提供了解决这一问题的办法。

  如果量子计算机是“利剑长矛”,那量子密钥就是抵御它的“坚固盾牌”,它提供了一种不可窃听、不可破译的新一代密码技术。

  潘建伟说,量子密钥分发就是在A和B之间共同生成一串只有他们两边知道的随机数,然后用这个随机数来加密。量子密钥一旦被截获或者被测量,其自身状态就会立刻发生改变,从而一定会被发送方察觉并规避。由于量子密钥分发是最先实用化的量子信息技术,一般所说的量子通信即是指的量子密钥分发。

  他说,量子通信理论上在光纤中最远能做到400公里,再远就做不下去了。而量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗,从天上向地面发送信号,大气厚度只相当于水平8至10公里,80%的光可以穿透大气,人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。

  潘建伟介绍,量子卫星的首要任务就是在北京和乌鲁木齐之间分发量子密钥,还计划向奥地利地面站发送量子密钥。另外,意大利、德国、加拿大也有意与中国开展合作。

  天地互动

  量子卫星升空后,卫星与地面站之间的互动才是重头戏。

  中国科学家利用已有的天文观测台站,在云南丽江、新疆乌鲁木齐、青海德令哈、河北兴隆建设了量子通信地面站。而量子隐形传态实验需要从地面向卫星发射光子,为了避免大气湍流的影响,空间量子隐形传态实验站建在了海拔5100米的西藏阿里。

  潘建伟说:“我们的实验面积遍布60万平方公里,这形成了人类有史以来最大的‘天地一体化量子实验室’。”

  在量子密钥分发和量子纠缠分发实验中,卫星产生光子并发射光子,与之对接的地面系统负责接收光子。如果天地间的光子“接发球”顺利完成,意味着以往局限于地球上的量子通信实验场,将移师太空,构建星地一体的广域量子通信体系。

  然而,要做到天地互动并不容易。

  量子卫星总设计师朱振才说:“量子卫星的一个显著特点是要对德令哈与丽江,或德令哈与乌鲁木齐两个光学地面站同时实现对准,星上的光轴与地面望远镜光轴要严格对准,用一个形象的比喻就是针尖对麦芒。”

  科学家说,这要求卫星的对准精度高于普通卫星的10倍,实验才能顺利展开。真正的问题在于,这颗卫星将在人们的头顶以约8公里/秒的速度飞驰,地面观测站每次只能持续跟踪几分钟。

  量子卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇说:“卫星的对准精度就好比我们在一万米高空的飞机上,向地面扔一个一个硬币,要准确投入储蓄罐狭长的投币口内,而储蓄罐还在慢慢旋转中;或者说从上海发射一束光,要瞄准北京任何一扇窗户,指哪打哪。而卫星的探测灵敏度也是国际上最高的,相当于在月球划一根火柴,在地球上都能看到。”

  潘建伟说,国外专家也测算过,以这样的技术,可以从地面上看到木星的卫星上汽车的牌照。

  王建宇说:“我们要把科学家的梦想变为现实。研制量子卫星载荷,是我几十年科研生涯从没遇到过的挑战。这是国际上第一颗量子卫星,我们原先的工作或多或少都能找到国际上的项目参考,但是这次的研发完全没有可以借鉴的,全部靠我们自己解决。”

  他说,为了让穿越大气层后光子的“针尖”仍能对上接收站的“麦芒”,为了保证量子卫星与地面接收站间,超高精度地瞄准、捕获和跟踪信息,科研人员从2012年起就做了各种实验,包括用热气球来模拟空间探测器的振动、随机移动和高度变化,用行驶的车辆上装载的转盘来模拟卫星的飞驰而过。

科学家们在视野辽阔的青海湖畔苦战了三年。青海湖的中央有一座海心山,恰好用来向对岸发送密钥。他们住宿的帐篷就搭在湖边的一个尼姑庵旁。因为量子通信实验需要避开日光的干扰,所有这些实验都要晚上来做。每到入夜,青海湖畔的他们就忙碌起来。做实验时得注意灯光不能太亮,否则大如团团鹅绒的野生飞蛾,都会飞扑过来。最危险的是热气球实验,高原湖边气流变化莫测,有一次热气球刚放飞,就遇上一阵狂风,瞬间将气球吹到离地几百米的高空,又突然险些掉到地面,把所有人都吓出一身冷汗。

  潘建伟说,目前的量子卫星空间覆盖能力和应用还有限。其团队还计划开展空间站“量子调控与光传输研究”,研发星间量子通信技术、全天时量子通信技术等,同时进行量子密钥组网应用。“如果国家支持发射多颗量子通信卫星,那么有希望到2030年左右,建成全球化的广域量子通信网络。”

 

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