在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，星罩組合體吊裝，與運載火箭對接（2016年8月5日攝）。新華社發(fā)

在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，衛(wèi)星在安裝星箭分離解鎖機構（2016年8月4日攝）。新華社發(fā)

　　潘建偉院士演示實用化量子通信產(chǎn)品進行遠距離保密通話。 新華社發(fā)

　　世界首顆量子衛(wèi)星命名為“墨子號”

愛因斯坦錯沒錯，中國的“墨子號”來驗證

 

愛因斯坦在許多人心中已成科學真理的代名詞，但了解科學史的人都知道，愛因斯坦代表的經(jīng)典物理學派與玻爾等人代表的量子學派之間的論戰(zhàn)已近百年，許多問題還沒有最后答案。而中國即將發(fā)射的量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，將有可能幫助解決關于量子糾纏的問題。

“鬼魅般的超距作用”，這是愛因斯坦在1935年對量子糾纏的評論。愛因斯坦作為經(jīng)典物理學的代表人物，對此表示懷疑，覺得這要能成立簡直是“見鬼了”。

百余年來，量子力學的許多理論不斷得到實驗結果支持，催生了原子彈、激光、核磁共振、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等重大發(fā)明，改變了整個世界，被認為是“第一次量子革命”。而對愛因斯坦提出的質(zhì)疑開展的持續(xù)研究，助推了量子調(diào)控技術的發(fā)展，催生了以量子通信和量子計算為代表的量子信息技術，被認為是開啟了“第二次量子革命”。

中國將發(fā)射的這顆量子衛(wèi)星，不僅可能幫助判斷愛因斯坦對量子糾纏的看法是否正確，還有可能為整個科學的發(fā)展做出巨大貢獻。

還記得震驚世界的斯諾登和棱鏡門嗎？電子通信時代，人們的安全感就像窗戶紙一樣脆弱。隨著計算能力的提升和數(shù)學的進步，基于計算復雜度的經(jīng)典加密體系終將崩塌。在現(xiàn)代科學認知中，幾乎任何已知事物都是可測的，但量子是個例外。量子通信以其絕對安全性、超大信道容量、超高通信速率、可遠距離傳輸信息和高效等特點，得到全球科技界、產(chǎn)業(yè)界普遍重視，許多國家爭相將量子通信研究作為戰(zhàn)略項目。

8月15日，華西都市報記者從中科院光電所獲悉，被命名為“墨子號”的世界上第一顆量子科學實驗衛(wèi)星即將發(fā)射，它將構建天地一體化的量子保密通信與實驗體系。如果實驗成功，中國也將成為世界上第一個實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間量子通信的國家。

華西都市報記者了解到，此次試驗中，衛(wèi)星和地面通信的關鍵技術出自“成都造”。位于成都的中科院光電所承擔了衛(wèi)星的“星地量子通信地面光學通信終端系統(tǒng)的研制和試驗”。

 

量子衛(wèi)星

將發(fā)射單光子進行通信

 

量子通信，被認為是竊聽者的“噩夢”。這種通信方式利用量子糾纏等特性，無法被攔截、被竊聽、被復制，是“絕對安全”的通信方式。

這次發(fā)射的量子科學實驗衛(wèi)星將以發(fā)射單光子這種方式進行通信，基于光子的量子屬性，它不可被復制，任何觀測、讀取都將徹底改變它的性質(zhì)，成為了理論上絕對安全的通信方式，“除非時間倒流，否則不可破解?！敝锌拼笊虾Ｑ芯吭貉芯繂T陳宇翱在一次公開演講上對量子通信這么表述。

目前，我國已經(jīng)成功地在地面上完成了百公里級別的量子通信，我國則是第一個發(fā)射量子通信衛(wèi)星試圖驗證整個流程的國家，就是準備在更大的空間尺度驗證量子通信的可行性。

發(fā)射成功后，這顆量子通信實驗衛(wèi)星將在500公里的近地軌道以每秒7.9公里的速度劃過天際，通過每一個接收點的空域時間大約只有五分鐘左右，由于不是同步衛(wèi)星，這顆量子衛(wèi)星將以橢圓軌道繞地球飛行，這就表示，對每一個接收點來說，一天就只有一次機會和衛(wèi)星進行通信連接，所以每一次的機會都彌足珍貴，需要嚴陣以待。

 

星地“互動”

關鍵通信技術“成都造”

 

量子科學實驗衛(wèi)星首席科學家、中科院院士潘建偉表示，普通衛(wèi)星只要順利升空就意味著至少成功了一半。但對于量子衛(wèi)星來說，發(fā)射升空卻僅僅只是開始，衛(wèi)星在太空中與地面幾個光學實驗站的“互動”，才是此次量子衛(wèi)星實驗的重頭戲。通過中國研發(fā)的星地量子通信設備，經(jīng)過編碼的光子將被發(fā)射到地面，由地面系統(tǒng)負責接收。量子衛(wèi)星的兩個激光器必須分別瞄準兩個地面站，精度極高，被稱為“針尖對麥芒”。實現(xiàn)從衛(wèi)星到地面站的量子密鑰分發(fā)后，光學地面站就可以接收衛(wèi)星下來的信號，進行量子通信。而這個地面站的“星地量子通信地面光學通信終端系統(tǒng)的研制和試驗”正是由位于成都的中科院光電所完成的。墨子為名

 

將提升我國的文化自信

 

“關于這顆衛(wèi)星的命名，我們考慮了好久?！绷孔涌茖W實驗衛(wèi)星首席科學家潘建偉院士說，最終命名為墨子，緣起于已故著名教育家、中國科學技術大學老教授錢臨照。

“墨家邏輯是全球三大古老邏輯體系之一，而邏輯體系是科學的基礎?！迸私▊フf，墨子在兩千多年前就發(fā)現(xiàn)了光線沿直線傳播，并設計了小孔成像實驗，奠定了光通信、量子通信的基礎。“就像國外有伽利略衛(wèi)星、開普勒望遠鏡一樣，以中國古代偉大科學先賢的名字來命名全球首顆量子衛(wèi)星，將提升我國的文化自信?！彼f。

據(jù)了解，作為中科院空間科學戰(zhàn)略性先導專項首批科學衛(wèi)星之一，量子科學實驗衛(wèi)星將在國際首次開展星地高速量子密鑰分發(fā)、空間尺度的量子隱形傳態(tài)等多項實驗。目前量子衛(wèi)星發(fā)射前的準備工作已基本完成。

 

量子通信是怎樣的“黑科技”？

 

量子通信的技術原理會不會很復雜難懂？放心，一起來看解讀，我們普通人都能走進神奇的量子世界。

作為中科院空間科學先導專項的第三顆科學衛(wèi)星，量子科學實驗衛(wèi)星在2011年時就已經(jīng)正式立項了。為什么要建設天地一體化的量子通信網(wǎng)絡？

量子的信息攜帶者光子在光纖中可以完成短距離傳播，在大氣層中卻可以傳遞幾千公里，超過一定的距離限度則會失去信號，因此就需要衛(wèi)星來協(xié)助。

量子衛(wèi)星作為地面上兩個實驗站的中介，使其形成區(qū)域通信網(wǎng)絡，海量信息穿梭如影，且無條件安全。

量子的“分身術”也叫量子疊加，指一個量子可以同時存在好幾種狀態(tài)。“分身術”有什么用？比如，可以使計算機實現(xiàn)并行計算，舉個例子，如果要分解一個300位的大數(shù)，現(xiàn)在的計算機需要15萬年，而用量子的“分身術”并行運算，只要1秒鐘就可以算出來。

量子的另一個絕技遠程“心靈感應”，學名叫量子糾纏。如果兩個相似的量子距離足夠近，就會發(fā)生糾纏，隨后把它們分開無論多遠，這兩個量子的狀態(tài)就像一對有心靈感應的雙胞胎一樣：一個開心，另一個也會笑；一個哭了，另一個一定也難過——這個可能是科學中最奇特的現(xiàn)象之一。

量子衛(wèi)星上天后，它會發(fā)出一連串的單光子，由地面上的光學實驗站接收再進行解碼，如果成功，就相當于完成了通信。這么做也是為了實現(xiàn)天地之間的量子保密通信做準備，如果能成功，將意味著我們有望建成大范圍的全球量子通信網(wǎng)絡。

除了這兩大絕技，神奇的量子還有兩個特性：不可分割、不可克隆。別嫌它古怪，利用量子這兩個特性可以制作出最安全的密鑰，讓信息傳輸變得更安全。

當然靠這一顆衛(wèi)星也不一定能完成全球保密通信網(wǎng)絡。如果這次我國的這顆衛(wèi)星能實現(xiàn)天地之間的量子通信的話，那在此之后，陸續(xù)會有其他量子衛(wèi)星與它并肩作戰(zhàn)，實現(xiàn)全球化廣域的量子保密通信網(wǎng)絡。

 

量子科學能怎樣改變生活？

量子計算機“出世”就能秒殺超算

 

從電腦到激光，從核能到生物技術，幾乎沒有哪個領域不依賴量子理論。量子力學推動和造就了現(xiàn)代世界，全球經(jīng)濟的三分之一依賴于以量子力學為基礎的產(chǎn)品。

但其實，人類還只消化了量子世界奇異特性的很小一部分。中國科學家正在開發(fā)威力強大的量子計算機和最為安全的量子通信。

 

量子之“矛”

量子計算機將實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的開掛模式

 

專家介紹，量子計算利用量子態(tài)的疊加性質(zhì)，可以實現(xiàn)計算能力的飛躍?，F(xiàn)在計算機的運算單位比特只有0和1這兩種狀態(tài)，但量子計算機中可以處在0和1的疊加態(tài)上。如果操縱100個量子，其計算能力可能比“天河二號”快百億億倍。“天河二號”需要用100年計算的難題，量子計算機只需 0.01秒。

如果將未來的量子計算機比作大學教授，今天所謂超級計算機的能力甚至還比不上剛上幼兒園的小班兒童。這么快的運算速度，將使人類的日常生活大大改變。例如在公共安全領域，量子計算可以瞬間處理監(jiān)控數(shù)據(jù)庫中60億人次的臉部圖片，并實時辨別出一個人的身份；在公共交通領域，量子計算能夠迅速對復雜的交通狀況進行分析預判，從而調(diào)度綜合交通系統(tǒng)最大限度避免道路擁堵；在氣象預測方面，量子計算能夠?qū)x器檢測數(shù)據(jù)結合模型全面預測分析，從而實現(xiàn)更高精準度的天氣預報……

中國科學院院士潘建偉說，要做出通用的量子計算機，可能還很遙遠，也許30年或更長，但是只是對某一種計算功能算得比較好的量子模擬機器估計5到10年就有望出現(xiàn)。潘建偉介紹，目前阿里巴巴已與中科院合作，開展量子計算方面的研究，期望能夠在5年左右的時間里實現(xiàn)50個量子比特相關操縱。它的計算能力，大概可以超越“天河二號”。

 

量子之“盾”

量子“密碼”不可竊聽、不可破譯的加密

 

有沒有絕對安全的保密通信，讓竊聽、破譯者無計可施？所幸的是，量子物理同時提供了解決這一問題的辦法。如果量子計算機是“利劍長矛”，那量子密碼技術就是抵御它的“堅固盾牌”。量子密碼提供了一種不可竊聽、不可破譯的新一代密碼技術。

潘建偉說，量子通信的關鍵要素是“量子密鑰”，量子密鑰就是在A和B之間共同生成一串只有他們兩邊知道的隨機數(shù)，然后用這個隨機數(shù)來加密。量子密鑰一旦被截獲或者被測量，其自身狀態(tài)就會立刻發(fā)生改變。截獲量子密鑰的人只能得到無效信息，而信息的合法接收者則可以從量子態(tài)的改變中得知量子密鑰曾被截取過。

潘建偉打了個比方，古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆開，就會留下泄密的痕跡。量子密鑰在量子通信中的作用比火漆更徹底，因為一旦有人試圖打開“信件”，量子密鑰會讓“信件”自毀，并讓使用者知曉。

 

量子未來

量子保密通信“京滬干線”

將在2016年下半年全線開通

 

有專家預測，量子通信技術可能在20至30年后對人類社會發(fā)展產(chǎn)生難以估量的影響。

對中國正在高速發(fā)展的量子通信領域來說，2016年將是具有里程碑意義的一年。潘建偉說，量子保密通信“京滬干線”將在2016年下半年全線開通，將應用于金融、電子、政務等多方面領域的信息傳輸。據(jù)介紹，“京滬干線”項目是連接北京、上海的高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡，中間還有合肥、濟南等重要節(jié)點，全長2000余公里，屬世界首例。

潘建偉說，如果說“京滬干線”像連接地面每個城市、每個信息傳輸點的“網(wǎng)”，量子科學實驗衛(wèi)星就像一桿將這張網(wǎng)射向太空的“標槍”。當這張縱橫寰宇的量子通信之“網(wǎng)”織就，海量信息將在其中來去如影，并且“無條件”安全。在潘建偉的設想中，量子通信有望在10年左右的時間走進千家萬戶，每家每戶的網(wǎng)上銀行、網(wǎng)絡支付、手機支付等，都能享受到量子通信所帶來的安全性保障。

華西都市報記者張想玲實習生陳禹毅本組稿件除署名外，均據(jù)新華社、央視、《科學報》等

 

 

揭秘全球首顆量子衛(wèi)星 量子通信關鍵技術“成都造”

圖文簡介

愛因斯坦在許多人心中已成科學真理的代名詞，但了解科學史的人都知道，愛因斯坦代表的經(jīng)典物理學派與玻爾等人代表的量子學派之間的論戰(zhàn)已近百年，許多問題還沒有最后答案。