揭秘全球首顆量子衛(wèi)星

劉詩瑤

8月16日1時40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星（簡稱“量子衛(wèi)星”）“墨子號”發(fā)射升空。隨著此次發(fā)射任務(wù)的圓滿成功，人類將首次完成衛(wèi)星和地面之間的量子通信，標志著我國空間科學(xué)研究又邁出重要一步。

量子衛(wèi)星是中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項首批科學(xué)實驗衛(wèi)星之一，其主要科學(xué)目標是借助衛(wèi)星平臺，進行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(xué)完備性檢驗的實驗研究。

我國自主研發(fā)的量子衛(wèi)星突破了一系列高新技術(shù)，包括同時瞄準兩個地面站的高精度星地光路對準、星地偏振態(tài)保持與基矢校正、星載量子糾纏源等工程級關(guān)鍵技術(shù)等，衛(wèi)星設(shè)計壽命為兩年。量子衛(wèi)星的成功發(fā)射和在軌運行，將有助于我國在量子通信技術(shù)實用化整體水平上保持和擴大國際領(lǐng)先地位，實現(xiàn)國家信息安全和信息技術(shù)水平跨越式提升，有望推動我國科學(xué)家在量子科學(xué)前沿領(lǐng)域取得重大突破，對于推動我國空間科學(xué)衛(wèi)星系列可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

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。可以說，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(xué)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(xué)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?！?/p>

而所謂的量子糾纏，則意味著兩個糾纏在一起的量子就像有心電感應(yīng)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。“如果這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?！迸私▊パa充道，兩個處于糾纏狀態(tài)的粒子無論相距多遠，都能“感應(yīng)”對方狀態(tài)，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”?？茖W(xué)家就可以利用這種效應(yīng)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(xué)家不斷認識，適用于實際應(yīng)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(xué)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(xué)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(yīng)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)?！迸私▊フf。

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(fù)制。即使采用目前最先進的理想單光子探測器，在1000公里光纖中進行點對點量子通信，每300年也只能傳輸一個比特?！熬秃帽纫恢碛?00萬人的隊伍，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(dǎo)致了在遠距離上信息傳遞效率很低，令科學(xué)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(yīng)用還需時日。

后來，科學(xué)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)。

2005年，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)。

“這樣一來，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。”潘建偉說，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(xué)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?fù)檢驗的理論，放在太空是否還能實現(xiàn)?！?/p>

將開展哪些實驗

“量子衛(wèi)星的科學(xué)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(xué)完備性檢驗的實驗研究?！迸私▊ソ榻B。

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(xué)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(xué)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)?！氨热绠斝l(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?！迸私▊ヅe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(xué)實驗非常復(fù)雜，難度極大，是“針尖對麥芒”的挑戰(zhàn)。這些實驗?zāi)軌虍a(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”。

“在量子衛(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。”中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心主任、空間科學(xué)先導(dǎo)專項科學(xué)衛(wèi)星工程常務(wù)副總指揮吳季說。

量子科學(xué)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(xué)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(xué)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(yīng)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(xué)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(yù)計今年下半年交付。

“大規(guī)模推廣量子通信應(yīng)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。

“信息安全根本上需要解決的，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?！迸私▊フf，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(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施，確保網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接到千家萬戶。

“比如，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▊ッ枋隽艘环磥韴鼍?，人們只需要每天在家里，將手機和量子密鑰分發(fā)機連接，就能夠?qū)崿F(xiàn)保密通信?！白叩竭@一步，還需要對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進行改造，制定通信標準等，10年至15年，有望實現(xiàn)?！?/p>

得益于這種絕對安全性，量子通信不僅應(yīng)用于百姓日常通信，也可用于水、電、煤氣等能源供給和民生網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的通信保障，還可應(yīng)用于國防、金融、商業(yè)等領(lǐng)域，勢必對產(chǎn)業(yè)界和科技界產(chǎn)生巨大變革。