我国发射世界首颗量子卫星
2016-08-17 12:18 新京报广告部
    昨天凌晨1点40分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。我国在世界上首次实现了卫星和地面之间的量子通信。
    量子卫星首席科学家潘建伟院士介绍,量子通信的安全性基于量子物理基本原理,确保了身份认证、传输加密以及数字签名等的无条件安全,可从根本上、永久性解决信息安全问题。
 
    将进行四大实验任务
    当今社会,信息的海量传播背后也充斥着信息泄露的风险。而量子科学则为信息安全提供了“终极武器”。
    据了解,这颗量子卫星重600多公斤,命名为“墨子号”,以纪念这位生活在2000多年前的中国古代思想家。据了解,墨子是世界首位开展光学实验的人。
    目前,国际上还没有一个国家将量子科学实验送入空间,量子卫星的研制没有任何经验可循。科学家在量子卫星上搭载了自主研发的“四种武器”:量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子试验控制与处理机。
    同时,科学家在地面建设了科学应用系统,包括1个中心——合肥量子科学实验中心;4个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站;1个平台——阿里量子隐形传态实验平台。卫星与地面站共同构成天地一体化量子科学实验系统,将在两年的设计寿命期间进行四大实验任务——星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验、地星量子隐形传态实验。
    潘建伟介绍,实验大致分为三类:第一类是进行卫星和地面之间的量子密钥分发,实现天地之间的安全通信。如果4个地面站任何两两之间都可以实现安全的通讯,即可实现组网。第二类相当于把量子实验室搬到太空,在空间尺度检验量子理论。第三类是实现卫星和地面千公里量级的量子态隐形传输。
    天地量子科学实验非常复杂,对天地实验设备的要求也异乎寻常的高。比如量子纠缠源,它只有机顶盒的大小,作用却非常关键,它能够产生纠缠光,这是量子卫星在空中做各种实验的源头。平时实验室里纠缠源的体积非常巨大,研究人员不仅把它做到了小型化,还通过一系列的创新让它实现了满足空间环境要求,在国际上是首次实现。
    下一步将建卫星网络
    量子卫星2011年12月立项,是中科院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。而它最初的构想,始于十几年前。
    2001年,31岁的潘建伟从欧洲回国,在中科大组建了量子信息实验室。2003年,当大多数人仍致力于在实验室内部的原理性演示时,潘建伟和同事们已经萌生了“天地一体化”量子通信网的初步构想,“量子科学实验卫星”正是这个构想中的关键节点。
    围绕这一远景目标,潘建伟团队致力于在自由空间量子密钥分发、量子纠缠分发和量子隐形传态实验等方面的研究,并不断取得国际领先的突破性成果。2005年,潘建伟团队在世界上首次实现13公里自由空间量子通信实验,证实光子穿透大气层后,其量子态能够有效保持,从而验证了星地量子通信的可行性。
    潘建伟说,“墨子号”发射后,效果如能达到预期,下一步还计划发射“墨子二号”“墨子三号”。“单颗低轨卫星无法覆盖全球,同时由于强烈的太阳光背景,目前的星地量子通信只能在夜间进行。要实现高效的全球化量子通信,还需要形成一个卫星网络。”到2030年左右,中国力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络,并构建信息充分安全的“量子互联网”。
    “安全的通信是属于我们的,但是科学研究是面向全世界开放的。”潘建伟透露,第一个开放的项目是与奥地利科学院合作,实现北京和维也纳之间的洲际量子保密通信,之后将和更多国家合作开展量子信息技术方面的研究。
    继量子卫星之后,潘建伟团队还计划开展空间站“量子调控与光传输研究”项目,研究星间量子通信技术等,同时进行量子密钥组网应用等研究,为下一步卫星组网奠定技术基础。
    □释疑
    量子科学,对多数人来说都很陌生。但当它与信息技术相连,就与我们每个人息息相关。记者采访了量子卫星首席科学家潘建伟院士、中科院物理所研究员吕力、北京大学物理系教授刘雄军,为你解读量子世界。
    1量子究竟是什么?
    量子是构成物质的基本单元,是能量的最基本携带者,不可再分割。比如,光子是光能量的最小单元,不存在“半个光子”。而量子世界中有两个基本原理:
    ——量子叠加,就是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。著名的“薛定谔的猫”理论曾经形象地表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。
    ——量子纠缠,类似孙悟空和他的分身,二者无论距离多远都“心有灵犀”。当两个微观粒子处于纠缠态,不论分离多远,对其中一个粒子的量子态做任何改变,另一个会立刻感受到,并做相应改变。
    2量子通信绝对安全?
    传统光通信是通过光的强弱变化传输信息。从中分出一丁点光并不影响其他光继续传输信息,测量这一丁点光原理上就能窃取信息。
    量子通信则不同,窃听者如果想拦截量子信号,并对其进行测量,将不可避免地破坏携带密钥信息的量子态。根据量子“测不准定理”,这种破坏必然会被信息发送者和接收者所发现。同时,量子不可克隆定理又排除了“不破坏传输的量子态,只截取并复制再继续发送”的可能,从而保证了量子通信的绝对安全。
    3瞬间移动或能实现?
    “量子态隐形传输”是基于量子叠加和量子纠缠的特性,就是甲地某一粒子的未知量子态,可以在乙地的另一粒子上还原出来。其实传输的是粒子的量子态,而不是粒子本身。这种状态传送的速度上限仍然是光速,也不是“瞬间移动”。
    现在,在光子、原子等层面已经实现了量子态隐形传输。电影里“大变活人”在原理上是允许的,但目前还远远做不到。因为科幻电影里人的传送,不仅需要把人的实体部分的大量原子、分子传送,并且严格按照原来的相对位置重新排列起来,更何况重现意识和记忆就更复杂了。
    4量子大脑取代人类?
    所谓量子大脑,其实就是当今正在研制中的量子计算机。未来的量子计算机可能会对人工智能起到极大的帮助,在数据搜索、分析和处理方面提供远远超过目前经典计算机的运算能力。
    机器人都是预先设置好程序的,而人是有意识和自由意志的。研究发现,人脑中的思维机制与量子叠加、量子纠缠或许存在相似之处。所以也有学者认为,未来可望创造出与人脑一样运行的人工智能机器人。真到这种程度,机器与生物之间的界限已经非常模糊。这在目前还只是一种畅想,未来究竟怎样还得拭目以待。
    5量子科技如何应用?
    量子科技其实已在方方面面影响着我们的日常生活。如计算机、互联网、医院里的磁共振成像等,无一不得益于量子科技。
    用发展的眼光看,随着微纳加工、超冷原子量子调控等技术的不断进步,人类将能够制备出越来越复杂、功能越来越强大的各种人造量子系统,例如包括量子计算机芯片在内的各种量子电路,其功能和信息处理能力将远远超过我们目前正在使用的经典芯片,并且更加节能。
    量子科技的广泛应用将把人类社会带入量子时代,实现更高的工作效率、更安全的数据通信,以及更方便和更绿色的生活方式。