從量子衛(wèi)星的發(fā)射談對物理學發(fā)展的思考

郭岱喬

摘 要：探討近代物理學的發(fā)展對量子技術應用的理論基石作用，說明量子通訊理論、優(yōu)勢、發(fā)展歷史和前景展望，并從我國量子衛(wèi)星發(fā)射中看出我國在量子通訊領域所具有的優(yōu)勢中進一步鼓舞物理學理論研究。

關鍵詞：墨子號;量子衛(wèi)星;量子糾纏;量子密鑰;物理學

中圖分類號： TN219 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2016）30-100-2

0 ?引言

物理學是研究物質運動最一般規(guī)律和物質基本結構的一種自然科學，研究對象大至宇宙，小到基本粒子的質量、運動形式和規(guī)律等內容。量子衛(wèi)星可謂是物理學中極大的天體物理和極小的量子力學理論的綜合應用，意義重大。下面我想從2016年8月16日我國發(fā)射的全球首科量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”來談談對物理學中量子物理發(fā)展的一些思考。

1 ?“墨子號”的由來

作為全球三大古老邏輯體系之一的墨家邏輯中的經典著作《墨經》中提出的“光學八條”中描述了墨子對光線的認識，并成功設計了樸素的小孔成像實驗，奠定了中國光學研究的基礎，所以我國發(fā)射的全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星被命名為“墨子號”以紀念墨子先生。

2 ?為何發(fā)展量子通信技術和通訊優(yōu)勢

我們知道，20世紀初，量子力學的基礎知識剛剛被奠定的時候，它帶給人們一種啟示，雖然它會時常使人感到困惑，因為量子力學在微觀世界里已經打敗了經典力學古老的確定論，反復的討論可能性、可能結果的疊加。

我們假設一個物理量存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子，所以我們常用量子去指一個不可分割的基本個體，例如“光的量子”是光的基本單位光子。當然，所有可量子化的物理量其最小單位是特定的，而不是任意值。20世紀的前一半時期許多物理學家將量子力學視為了解和描述自然的基本理論，發(fā)展出了量子光學、量子計算等不同專業(yè)領域來研究。

量子計算領域利用量子效應來控制和處理信息，它具有驚人的潛力，因為經典數(shù)據(jù)的二進制“比特”一次只能取一個值，而量子的“量子比特”能夠在給定范圍內代表任意及所有可能的取值：在被測量以前，它以所有的可能太的“疊加”形式存在。量子計算特別適合用于解決今天只能依靠“強力”處理器能力來解決的特殊問題—比如，幾十個量子比特陣列就能夠存儲超過太字節(jié)（萬億）的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)量。[3]

因此發(fā)展量子通信技術的優(yōu)勢非常明顯，前景廣闊。

3 ?“墨子號”工作的理論基礎

1917年G.Vernam提出了“一次一密”（One-Time Pad）密碼體制[1][2]，C.E.Shannon于1949年用信息論證明了該密碼體制是無條件安全的[1][2]，這是目前唯一被證明是絕對安全的密碼體制。

由于量子信號的攜帶者光子在外層空間傳播時幾乎沒有損耗，如果能夠在技術上實現(xiàn)糾纏光子再穿透整個大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性，人們就可以在衛(wèi)星的幫助下實現(xiàn)全球化的量子通信。此次發(fā)射的量子科學實驗衛(wèi)星完全由我國自主研發(fā)，突破了衛(wèi)星平臺、有效載荷、地面光學收發(fā)站等一系列關鍵技術，將在軌開展量子密鑰分發(fā)、廣域量子密鑰網絡、量子糾纏分發(fā)、量子隱形傳態(tài)、星地告訴相干激光通信等科學實驗。

潘建偉研究小組在2003年開始研究自由空間量子通信，他們在實驗點制備出成對的糾纏光子，再利用兩個專門設計加工的發(fā)射望遠鏡將容易發(fā)散的細小光束“增肥”后向東西相距13公里的兩個實驗站送出，兩個接收端用同樣型號的望遠鏡收集。

量子衛(wèi)星和地球通信是雙向的。衛(wèi)星和地面站都擁有發(fā)射端和接收端。發(fā)射端包含單光子光源和光束整形系統(tǒng)，接收端包含單光子探測器和成像系統(tǒng)。光束整形系統(tǒng)和成像系統(tǒng)把點光源變成平行光并將其匯聚到焦點上。發(fā)射端和接收端是靠激光聯(lián)系，它們之間有個大氣層——它是目前較大的麻煩。

經過研究人員的種種努力，在如此遠距離的傳送中，雖有許多糾纏光子衰減，但仍有相當比例的“夫妻對”能存活下來并有旺盛的生命力，經單光子探測器檢測，分居東西兩地的光子“夫妻對”即使相距遙遠仍能保持相互糾纏狀態(tài)，攜帶信息的數(shù)量和質量能完全滿足基于衛(wèi)星的全球化量子通信要求。

在此基礎上，研究小組進一步利用分發(fā)的糾纏光源進行絕對安全的量子保密通信。13公里不僅是目前國際上自由空間糾纏光子分發(fā)的最遠距離，也是目前國際上沒有竊聽漏洞量子密鑰分發(fā)的最大距離。

4 ?我國量子通訊發(fā)展歷史和量子衛(wèi)星的前景展望

英國《自然》雜志中關于“量子太空競賽”中指出：“在量子通信領域，中國用了不到十年的時間，由一個了不起的國家發(fā)展成現(xiàn)在的世界勁旅，中國將領先于歐洲和北美......”可見我國量子通訊發(fā)展速度飛快。1995年，中科院物理所吳令安小組在實驗室內完成了我國最早的量子密鑰分發(fā)實驗演示。2000年，該小組又與中科院研究生院合作利用單模光纖完成了1.1公里的量子密鑰分發(fā)演示實驗。2002年至2003年間，瑞士日內瓦大學Gisin小組和我國華東師范大學曾和平小組分別在67公里和50公里光纖中演示了量子密鑰分發(fā)。2006年，中國科學技術大學潘建偉團隊在世界上首次利用誘騙態(tài)方案實現(xiàn)了安全距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)實驗，2009年，該團隊又在世界上率先將采用誘騙態(tài)方案的量子通信距離突破至200公里。2013年，潘建偉團隊又在核心量子通信器件研究上取得重要突破，他們成功開發(fā)了國際上迄今為止最先進的室溫通信波段單光子探測器，并利用該單光子探測器在國際上首次實現(xiàn)了測量器件無關的量子通信，成功解決了現(xiàn)實環(huán)境中單光子探測系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現(xiàn)實條件下量子通信系統(tǒng)的安全性。2016年8月16日我國發(fā)射的全球首科量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”這既是中國首個、也是世界首個量子衛(wèi)星。

在我國，量子通信技術從基礎研究向應用技術轉化邁進，面對國際上科技巨頭，如IBM、Bell實驗室、德國西門子公司等都紛紛投入量子通信的產業(yè)化研究之時。我國將利用量子通信技術的產業(yè)化和廣域量子通信網絡的實現(xiàn)，作為保障未來信息社會通信安全的關鍵技術，而量子密鑰極有可能會進入普通家庭，服務于社會大眾，成為電子商務、電子醫(yī)療、軍事科技等各種電子服務的驅動器，為當今這個高度信息化的社會提供基礎的安全服務和最可靠的安全保障。

我國未來還將發(fā)射多顆量子衛(wèi)星，預計到2020年實現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)。屆時，連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網也將建成，2030年左右將建成全球化的廣域量子通信網絡。隨著量子通信網絡的發(fā)展，量子通信將迎來巨大的市場。有人預測，國內量子通信短期市場規(guī)模在100億至130億元左右，長期市場規(guī)模將超過千億元。

5 ?量子技術的應用對物理學發(fā)展的一些思考

量子通信技術的發(fā)展，基礎是物理學理論的發(fā)展，筆者認為21世紀是要把微觀和宏觀整體地聯(lián)系起來。這種結合對應用科技影響深遠，我們回過頭來看看，目前的科學發(fā)明在19世紀末都是很難想象的！沒有20世紀初基礎物理科學的發(fā)展，21世紀的科技應用和開發(fā)也無法迅速發(fā)展，那么，發(fā)展好當代物理理論研究應該對今后的技術發(fā)展產生深遠影響。

參 考 文 獻

[1] ASSCHE G V.Quantum Cryptography and Secret-key Distillation[M].New York：Cambridge University Press，2006.

[2] SCARANI V，et al.The Security of practical Quantum key Distribution[J].Rev.Mod.Phys.，2009，81（3）：1301-1350.

[3] （英）斯帕羅（Sparrow，G.）著，孫正凡譯.物理速覽：及時掌握的200個物理知識[M].北京：人民郵電出版社，2014.