世界首顆量子衛(wèi)星升空 將傳送不可破解的密碼

中國(guó)16日凌晨在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，它將在太空向地面發(fā)送不可破解的密碼以建立最安全保密的量子通信，并將對(duì)微觀量子世界最離奇詭異的現(xiàn)象開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。

這顆衛(wèi)星被起名為“墨子”，以紀(jì)念那位生活于2000多年前、崇尚科學(xué)的中國(guó)古代思想家。他是世界上第一位開(kāi)展光學(xué)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家。

量子衛(wèi)星將在兩年的設(shè)計(jì)壽命中完成四大任務(wù)：星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn);廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn);衛(wèi)星向相距1200公里的地面站分發(fā)糾纏的光子，在更宏大的尺度上測(cè)試被愛(ài)因斯坦稱為“詭異的”量子糾纏現(xiàn)象;在“世界屋脊”西藏阿里和衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。

600多公斤重的量子衛(wèi)星帶有四個(gè)有效載荷：量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏源、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)。它將在距離地面500公里高的太陽(yáng)同步軌道，大約90分鐘繞地球一圈。

專家說(shuō)，如果衛(wèi)星成功運(yùn)行，中國(guó)將在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，并結(jié)合地面已有的光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建一個(gè)廣域量子通信體系。這顆衛(wèi)星將改變加密學(xué)，為中國(guó)打造堅(jiān)不可摧的通信系統(tǒng)鋪平道路，也意味著中國(guó)將成為全球量子通信技術(shù)的領(lǐng)頭羊。

“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射，表明中國(guó)正從經(jīng)典信息技術(shù)的跟隨者，轉(zhuǎn)變成未來(lái)信息技術(shù)的并跑者乃至領(lǐng)跑者。”量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉說(shuō)，

這種安全的量子通信在國(guó)防、軍事、金融等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。專家預(yù)測(cè)，量子通信技術(shù)可能在20至30年后對(duì)人類社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生難以估量的影響。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)科學(xué)院院士安東尼·勒蓋特說(shuō)：“在太空上遠(yuǎn)距離對(duì)量子力學(xué)的預(yù)測(cè)進(jìn)行檢驗(yàn)，我認(rèn)為這將是非常有趣的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)”，“如果量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@得成功，那么它肯定會(huì)為最終的量子互聯(lián)網(wǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”

幽靈般的糾纏

除了在建立量子通信網(wǎng)絡(luò)方面的巨大應(yīng)用價(jià)值外，這顆世界上首個(gè)專門(mén)用于量子研究的空間探測(cè)器還將為理解量子物理的一個(gè)最深遠(yuǎn)和最令人費(fèi)解的現(xiàn)象——量子糾纏邁出重要一步，將為物理學(xué)家提供一個(gè)測(cè)試量子理論基礎(chǔ)以及探索如何融合量子理論與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的全新平臺(tái)。

量子物理世界一個(gè)奇異現(xiàn)象是糾纏效應(yīng)，量子糾纏可以把兩個(gè)或者更多粒子的命運(yùn)關(guān)聯(lián)在一起。在這一奇特關(guān)聯(lián)中的粒子“心心相印”，無(wú)論它們是在同一間實(shí)驗(yàn)室還是相隔整個(gè)星系，當(dāng)測(cè)量其中一個(gè)狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)狀態(tài)也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)改變。形象點(diǎn)比喻的話，這就如同兩張相距甚遠(yuǎn)的紙張，人們?cè)谄渲幸粡埣埳蠒?shū)寫(xiě)的時(shí)候，另一張紙上會(huì)立刻顯現(xiàn)所書(shū)寫(xiě)的信息。

愛(ài)因斯坦將其稱為“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間詭異互動(dòng)”。但是為什么會(huì)有這種現(xiàn)象?這依然是一個(gè)深?yuàn)W的謎。

“對(duì)量子糾纏而言，在宏觀的大尺度距離上，會(huì)不會(huì)有什么變化，會(huì)不會(huì)受到引力的干擾，實(shí)驗(yàn)上還是未知的。在衛(wèi)星的幫助下，我們可以對(duì)物理學(xué)的一些基本問(wèn)題做一些基本探索和檢驗(yàn)，可能有新的物理發(fā)現(xiàn)。”潘建偉說(shuō)。

另外，中國(guó)科學(xué)家還計(jì)劃在“世界屋脊”西藏阿里和衛(wèi)星之間做一個(gè)有趣實(shí)驗(yàn)——量子隱形傳態(tài)。

此前，科學(xué)家開(kāi)展的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)都是在地面進(jìn)行的，“這次我們要測(cè)試能不能把地面的微觀量子態(tài)傳到太空。”潘建偉說(shuō)。

雖然這與《星際迷航》中的“超時(shí)空傳輸”很類似，但目前科學(xué)家開(kāi)展的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)中，被傳輸?shù)氖切畔⒍⒎菍?shí)物，而且僅限于一兩個(gè)粒子的信息。距離隔空傳輸宏觀物體的信息，哪怕是一粒沙子，都還很遙遠(yuǎn)。

即使永遠(yuǎn)無(wú)法進(jìn)行真正的宏觀物質(zhì)的量子隱形傳送，也并不意味著這種技術(shù)的發(fā)展不重要。量子隱形傳態(tài)在量子計(jì)算機(jī)和量子通信中發(fā)揮著巨大作用。

量子“矛”“盾”

盡管神秘、令人琢磨不透的量子力學(xué)還迷霧重重，科學(xué)家們卻已在利用量子世界的奇異特性開(kāi)發(fā)威力強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)和最為安全的量子通信。

量子計(jì)算利用量子態(tài)的疊加性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的飛躍。“太湖之光”需要用100年計(jì)算的難題，量子計(jì)算機(jī)或許只需0.01秒。

然而，一些人對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的恐懼多于期待。有專家指出，對(duì)于現(xiàn)有信息安全系統(tǒng)而言，一旦量子計(jì)算機(jī)橫空出世，它將成為一支“利劍長(zhǎng)矛”，可以攻破現(xiàn)在所有的密碼。

所幸的是，量子物理同時(shí)提供了解決這一問(wèn)題的辦法。

如果量子計(jì)算機(jī)是“利劍長(zhǎng)矛”，那量子密鑰就是抵御它的“堅(jiān)固盾牌”，它提供了一種不可竊聽(tīng)、不可破譯的新一代密碼技術(shù)。

潘建偉說(shuō)，量子密鑰分發(fā)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(jī)數(shù)，然后用這個(gè)隨機(jī)數(shù)來(lái)加密。量子密鑰一旦被截獲或者被測(cè)量，其自身狀態(tài)就會(huì)立刻發(fā)生改變，從而一定會(huì)被發(fā)送方察覺(jué)并規(guī)避。由于量子密鑰分發(fā)是最先實(shí)用化的量子信息技術(shù)，一般所說(shuō)的量子通信即是指的量子密鑰分發(fā)。

他說(shuō)，量子通信理論上在光纖中最遠(yuǎn)能做到400公里，再遠(yuǎn)就做不下去了。而量子信號(hào)的攜帶者光子在外層空間傳播時(shí)幾乎沒(méi)有損耗，從天上向地面發(fā)送信號(hào)，大氣厚度只相當(dāng)于水平8至10公里，80%的光可以穿透大氣，人們就可以在衛(wèi)星的幫助下實(shí)現(xiàn)全球化的量子通信。

潘建偉介紹，量子衛(wèi)星的首要任務(wù)就是在北京和烏魯木齊之間分發(fā)量子密鑰，還計(jì)劃向奧地利地面站發(fā)送量子密鑰。另外，意大利、德國(guó)、加拿大也有意與中國(guó)開(kāi)展合作。

天地互動(dòng)

量子衛(wèi)星升空后，衛(wèi)星與地面站之間的互動(dòng)才是重頭戲。

中國(guó)科學(xué)家利用已有的天文觀測(cè)臺(tái)站，在云南麗江、新疆烏魯木齊、青海德令哈、河北興隆建設(shè)了量子通信地面站。而量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)需要從地面向衛(wèi)星發(fā)射光子，為了避免大氣湍流的影響，空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站建在了海拔5100米的西藏阿里。

潘建偉說(shuō)：“我們的實(shí)驗(yàn)面積遍布60萬(wàn)平方公里，這形成了人類有史以來(lái)最大的‘天地一體化量子實(shí)驗(yàn)室’。”

在量子密鑰分發(fā)和量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)中，衛(wèi)星產(chǎn)生光子并發(fā)射光子，與之對(duì)接的地面系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收光子。如果天地間的光子“接發(fā)球”順利完成，意味著以往局限于地球上的量子通信實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，將移師太空，構(gòu)建星地一體的廣域量子通信體系。

然而，要做到天地互動(dòng)并不容易。

量子衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師朱振才說(shuō)：“量子衛(wèi)星的一個(gè)顯著特點(diǎn)是要對(duì)德令哈與麗江，或德令哈與烏魯木齊兩個(gè)光學(xué)地面站同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)，星上的光軸與地面望遠(yuǎn)鏡光軸要嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，用一個(gè)形象的比喻就是針尖對(duì)麥芒。”

科學(xué)家說(shuō)，這要求衛(wèi)星的對(duì)準(zhǔn)精度高于普通衛(wèi)星的10倍，實(shí)驗(yàn)才能順利展開(kāi)。真正的問(wèn)題在于，這顆衛(wèi)星將在人們的頭頂以約8公里/秒的速度飛馳，地面觀測(cè)站每次只能持續(xù)跟蹤幾分鐘。

量子衛(wèi)星工程常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說(shuō)：“衛(wèi)星的對(duì)準(zhǔn)精度就好比我們?cè)谝蝗f(wàn)米高空的飛機(jī)上，向地面扔一個(gè)一個(gè)硬幣，要準(zhǔn)確投入儲(chǔ)蓄罐狹長(zhǎng)的投幣口內(nèi)，而儲(chǔ)蓄罐還在慢慢旋轉(zhuǎn)中;或者說(shuō)從上海發(fā)射一束光，要瞄準(zhǔn)北京任何一扇窗戶，指哪打哪。而衛(wèi)星的探測(cè)靈敏度也是國(guó)際上最高的，相當(dāng)于在月球劃一根火柴，在地球上都能看到。”

潘建偉說(shuō)，國(guó)外專家也測(cè)算過(guò)，以這樣的技術(shù)，可以從地面上看到木星的衛(wèi)星上汽車(chē)的牌照。

王建宇說(shuō)：“我們要把科學(xué)家的夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。研制量子衛(wèi)星載荷，是我?guī)资昕蒲猩膹臎](méi)遇到過(guò)的挑戰(zhàn)。這是國(guó)際上第一顆量子衛(wèi)星，我們?cè)鹊墓ぷ骰蚨嗷蛏俣寄苷业絿?guó)際上的項(xiàng)目參考，但是這次的研發(fā)完全沒(méi)有可以借鑒的，全部靠我們自己解決。”

他說(shuō)，為了讓穿越大氣層后光子的“針尖”仍能對(duì)上接收站的“麥芒”，為了保證量子衛(wèi)星與地面接收站間超高精度地瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤信息，科研人員從2012年起就做了各種實(shí)驗(yàn)，包括用熱氣球來(lái)模擬空間探測(cè)器的振動(dòng)、隨機(jī)移動(dòng)和高度變化，用行駛的車(chē)輛上裝載的轉(zhuǎn)盤(pán)來(lái)模擬衛(wèi)星的飛馳而過(guò)。

科學(xué)家們?cè)谝曇斑|闊的青海湖畔苦戰(zhàn)了三年。青海湖的中央有一座海心山，恰好用來(lái)向?qū)Π栋l(fā)送密鑰。他們住宿的帳篷就搭在湖邊的一個(gè)尼姑庵旁。因?yàn)榱孔油ㄐ艑?shí)驗(yàn)需要避開(kāi)日光的干擾，所有這些實(shí)驗(yàn)都要晚上來(lái)做。每到入夜，青海湖畔的他們就忙碌起來(lái)。做實(shí)驗(yàn)時(shí)得注意燈光不能太亮，否則大如團(tuán)團(tuán)鵝絨的野生飛蛾，都會(huì)飛撲過(guò)來(lái)。最危險(xiǎn)的是熱氣球?qū)嶒?yàn)，高原湖邊氣流變化莫測(cè)，有一次熱氣球剛放飛，就遇上一陣狂風(fēng)，瞬間將氣球吹到離地幾百米的高空，又突然險(xiǎn)些掉到地面，把所有人都嚇出一身冷汗。

潘建偉說(shuō)，目前的量子衛(wèi)星空間覆蓋能力和應(yīng)用還有限。其團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃開(kāi)展空間站“量子調(diào)控與光傳輸研究”，研發(fā)星間量子通信技術(shù)、全天時(shí)量子通信技術(shù)等，同時(shí)進(jìn)行量子密鑰組網(wǎng)應(yīng)用。“如果國(guó)家支持發(fā)射多顆量子通信衛(wèi)星，那么有希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。”他說(shuō)。