全球首顆量子衛(wèi)星“墨子號”揭秘 - 全文

　　2016年8月16日1時40分，長征二號丁運載火箭從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心第29次發(fā)射并搭載了全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”，成功將它運載的人造衛(wèi)星送入了預(yù)定軌道。那么，量子通信是什么？量子衛(wèi)星升空的意義在哪？

　　量子通信的發(fā)展

　　量子通信系統(tǒng)的問世，點燃了建造“絕對安全”通信系統(tǒng)的希望。當(dāng)前，量子通信的實用化和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)成為各個大國爭相追逐的目標(biāo)。

　　在量子通信的國際賽跑中，中國屬于后來者。經(jīng)過多年的努力，中國已經(jīng)躋身于國際一流的量子信息研究行列，在城域量子通信技術(shù)方面也走在了世界前列，建設(shè)完成合肥、濟南等規(guī)模化量子通信城域網(wǎng)，“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)也即將竣工。

　　然而，這只是開始?！霸诔鞘蟹秶鷥?nèi)，通過光纖構(gòu)建城域量子通信網(wǎng)絡(luò)是最佳方案。但要實現(xiàn)遠距離甚至全球量子通信，僅依靠光纖量子通信技術(shù)是遠遠不夠的。” 量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士說。

　　他解釋說，因為量子的信息攜帶者光子在光纖里傳播一百公里之后大約只有1‰的信號可以到達最后的接收站，所以光纖量子通信達到百公里量級就很難再突破。但光子穿透整個大氣層后卻可以保留80%左右，再利用衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)，就可以實現(xiàn)地面上相距數(shù)千公里甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信。

　　另外，誕生百年的量子理論的奇妙之處在實驗室里被不斷重復(fù)檢驗，但卻從未在太空尺度驗證過。量子理論的各種奇異現(xiàn)象在太空中是否還存在？量子糾纏和隱形傳輸是否可以延伸到星地之間？這些都需要衛(wèi)星去驗證。

　　2011年，中科院正式啟動全球首顆“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”的研制，這既意味著中國科學(xué)家率先向星地量子通信發(fā)起挑戰(zhàn)，更意味著中國或?qū)㈩I(lǐng)先歐美獲得量子通信覆蓋全球的能力。

　　關(guān)于量子衛(wèi)星“墨子號”

　　“墨子號”是中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項首批實驗衛(wèi)星之一，主要科學(xué)目標(biāo)是星地高速量子密鑰分發(fā)實驗，在此基礎(chǔ)上實驗廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)，以期空間量子通信實用化;它將在太空中分發(fā)糾纏光子，實驗量子隱形傳態(tài)，并檢驗空間尺度的量子力學(xué)完備性。

　　量子衛(wèi)星最初的構(gòu)想始于十幾年前，2001年，31歲的潘建偉從歐洲回國，在中科大組建了量子信息實驗室。2003年，當(dāng)大多數(shù)人仍致力于在實驗室內(nèi)部的原理性演示時，潘建偉和同事們已經(jīng)萌生了“天地一體化”量子通信網(wǎng)的初步構(gòu)想，“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”正是這個構(gòu)想中的關(guān)鍵節(jié)點。

　　圍繞這一遠景目標(biāo)，潘建偉團隊開始了十余年的技術(shù)積累。他帶領(lǐng)團隊在自由空間量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗等方面不斷取得國際領(lǐng)先的突破性成果。

　　2005年，潘建偉團隊在世界上第一次實現(xiàn)13公里自由空間量子通信實驗，證實光子穿透大氣層后，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。

　　隨后，他們又不斷創(chuàng)造“傳奇”：16公里自由空間量子隱形傳態(tài)、百公里級自由空間量子通信、星地量子通信的全方位地面驗證實驗……為星地量子通信打下了堅實基礎(chǔ)。

　　潘建偉說，“墨子號”發(fā)射以后，如果效果達到預(yù)期，下一步還計劃發(fā)射“墨子二號”“墨子三號”?！皢晤w低軌衛(wèi)星無法覆蓋全球，同時由于強烈的太陽光背景，目前的星地量子通信只能在夜間進行。要實現(xiàn)高效的全球化量子通信，還需要形成一個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)?！?/p>

　　未來，一個由幾十顆量子衛(wèi)星組成的“璀璨星群”，將與地面量子通信干線“攜手”，支撐起“天地一體”的量子通信網(wǎng)。

　　到2030年左右，中國力爭率先建成全球化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建信息充分安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，形成完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈和下一代國家主權(quán)信息安全生態(tài)系統(tǒng)。

　　墨子號“四種武器”挑戰(zhàn)四大實驗任務(wù)

　　目前，國際上還沒有一個國家將量子科學(xué)實驗送入空間，量子衛(wèi)星的研制沒有任何經(jīng)驗可循，過程充滿了困難和挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家在墨子號量子衛(wèi)星上搭載了自主研發(fā)的“四種武器”：量子密鑰通信機、量子糾纏發(fā)射機、量子糾纏源和量子試驗控制與處理機。

　　同時，在地面建設(shè)了科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，包括1個中心——合肥量子科學(xué)實驗中心；4站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站；1個平臺——阿里量子隱形傳態(tài)實驗平臺。

　　衛(wèi)星與地面站共同構(gòu)成天地一體化量子科學(xué)實驗系統(tǒng)，在兩年的設(shè)計壽命期間將進行四大實驗任務(wù)——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。

　　潘建偉介紹，實驗大致分為三類：第一類是進行衛(wèi)星和地面之間的量子密鑰分發(fā)，實現(xiàn)天地之間的安全通信，如果4個地面站任何兩兩之間都可以實現(xiàn)安全的通訊，即可實現(xiàn)組網(wǎng)；第二類相當(dāng)于把量子實驗室搬到太空，在空間尺度檢驗量子理論；第三類是實現(xiàn)衛(wèi)星和地面千公里量級的量子態(tài)隱形傳輸。

　　天地量子科學(xué)實驗非常復(fù)雜，對天地實驗設(shè)備的要求也異乎尋常的高。潘建偉坦言，衛(wèi)星研制過程中，最困難的環(huán)節(jié)就是有效載荷，“攻克了許多技術(shù)難題才拿下”。比如量子糾纏源，它只有機頂盒的大小，作用卻非常關(guān)鍵，它能夠產(chǎn)生糾纏光，這是量子衛(wèi)星在空中做各種實驗的源頭。平時實驗室里糾纏源的體積非常巨大，研究人員不僅把它做到了小型化，還通過一系列的創(chuàng)新讓它實現(xiàn)了滿足空間環(huán)境要求，在國際上是首次實現(xiàn)。

　　量子衛(wèi)星系統(tǒng)總師朱振才介紹，量子衛(wèi)星飛行中，攜帶的兩個激光器要分別瞄準(zhǔn)兩個相距上千公里的地面站，向左向右同時傳輸量子密鑰，且衛(wèi)星上的光軸和地面望遠鏡的光軸要始終精確對準(zhǔn)，就好比衛(wèi)星上的“針尖”對地面上的“麥芒”。

　　科研團隊進行了各種實驗，考驗超遠距離“移動瞄靶”能力，最終突破了星地光路對準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)，通過平臺和載荷兩級控制的方式，對準(zhǔn)精度可以達到普通衛(wèi)星的10倍。

　　“激光器一站對一站有人做過，但一顆衛(wèi)星對準(zhǔn)兩個地面站國際上還從來沒有過。如果成功的話，在國際上也是首次實現(xiàn)這么高精度的跟蹤和地面站配合。”中科院國家空間科學(xué)中心主任吳季說。

　　量子及其特性是什么？

　　量子究竟是什么？被稱為世紀(jì)“幽靈”的量子又有哪些匪夷所思的特性呢？

　　我們知道構(gòu)成物質(zhì)的最小單元是基本粒子，而量子就是質(zhì)量、體積、能量等各種物理量的最小單元，而且它也要以某種粒子狀態(tài)存在。我們看到的光，其實是以光子為單位一份一份地變化的。我們大可以打開腦洞，想象一下，我們一舉手投足間，一個呼吸，就有上萬億的量子在移動。

　　最早，量子是被一個叫普朗克的德國物理學(xué)家在1900年提出來的，后來陸陸續(xù)續(xù)經(jīng)過許多科學(xué)家的努力，其中也包括大名鼎鼎的愛因斯坦，量子科學(xué)體系不斷完善。

　　量子有兩個堪稱神奇的絕技，就是“分身術(shù)”和“遠程心靈感應(yīng)”。量子的“分身術(shù)“也叫量子疊加，就是一個量子可以同時存在好幾種狀態(tài)。那么”分身術(shù)“干嘛用呢？首先一個應(yīng)用就是幫我們的計算機實現(xiàn)并行計算。這能力有多強？舉個例子，如果我們分解一個300位的大數(shù)，用現(xiàn)在的計算機，需要15萬年，用量子的”分身術(shù)“幫我們并行運算，只要一秒鐘就可以算出來。

　　“遠程心靈感應(yīng)”即為量子糾纏，研究量子糾纏量子力學(xué)中最神秘的就是 疊加態(tài)，而“量子糾纏”正是多粒子的一種疊加態(tài)。這或許是未來的通信黑科技，為保不被時代拋棄，你最好現(xiàn)在就學(xué)習(xí)一下什么叫量子糾纏——

　　以雙粒子為例，一個粒子A可以處于某個物理量的疊加態(tài)，能夠用一個量子比特來表示，同時另一個粒子B也可以處于疊加態(tài)。當(dāng)兩個粒子發(fā)生糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態(tài)，也就是 糾纏態(tài)。例如，有一種糾纏態(tài)就是， 無論兩個粒子相隔多遠，只要沒有外界干擾，當(dāng)A粒子處于0態(tài)時，B粒子一定處于1態(tài)；反之，當(dāng)A粒子處于1態(tài)時，B粒子一定處于0態(tài)。

　　如果用薛定諤的貓做比喻，即A和B兩只貓如果形成上面的糾纏態(tài)：

　　那么無論兩只貓相距多遠，即便在宇宙的兩端，當(dāng)A貓是“死”的時候，B貓必然是“活”；當(dāng)A貓是“活”的時候，B貓一定是“死”。

　　量子通訊為啥不可竊聽？

　　本文綜合新華網(wǎng)、果殼網(wǎng)、央視網(wǎng)報道