中国发射了世界首颗量子卫星，将传送不可破解的密码
2016/8/16 新华社
中国健儿正在奥运赛场上争金夺银，而在科技的赛场，中国又拿了一个世界第一!此处有掌声!
2016年8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星(简称“量子卫星”)发射升空。我国空间科学研究又迈出重要一步!
它将在太空向地面发送不可破解的密码以建立最安全保密的量子通信，并将对微观量子世界最离奇诡异的现象开展科学实验研究。戳视频，感受一下激动人心的时刻!
这颗卫星被起名为“墨子”，以纪念那位生活于2000多年前，崇尚科学的中国古代思想家。他是世界上第一位开展光学实验的科学家。
还记得这样的场景吗？电影中，主人公走入一扇“任意门”，瞬间就穿越来到另一个空间……在量子世界里，这或许不是幻想。
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”，同理，也不存在“半个氢原子”“半个水分子”等等。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。
这颗卫星到底能干嘛？
量子卫星将在两年的设计寿命中完成四大任务：
——星地高速量子密钥分发实验；
——广域量子通信网络实验；
——卫星向相距1200公里的地面站分发纠缠的光子，在更宏大的尺度上测试被爱因斯坦称为“诡异的”量子纠缠现象；
——还计划在“世界屋脊”西藏阿里和卫星之间实现量子隐形传态实验。
600多公斤重的量子卫星带有四个有效载荷：量子密钥通信机、量子纠缠源、量子纠缠发射机、量子实验控制与处理机，它将在距离地面500公里高的太阳同步轨道，大约90分钟绕地球一圈。
专家说，如果卫星成功运行，中国将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，并结合地面已有的光纤量子通信网络，初步构建一个广域量子通信体系。
这颗卫星将改变加密学，为中国打造坚不可摧的通信系统铺平道路，也意味着中国将成为全球量子通信技术的领头羊。
“量子科学实验卫星的发射，表明中国正从经典信息技术的跟随者，转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者。”量子卫星首席科学家、中国科学院院士潘建伟说。
这种安全的量子通信在国防、军事、金融等领域应用前景广阔。专家预测，量子通信技术可能在20至30年后对人类社会发展产生难以估量的影响。
研究最诡异的幽灵现象
除了在建立量子通信网络方面的巨大应用价值，这颗世界上首个专门用于量子研究的空间探测器将为理解量子物理的一个最深远和最令人费解的现象——量子纠缠迈出重要一步，将为物理学家提供一个测试量子理论基础以及探索如何融合量子理论与爱因斯坦广义相对论的全新平台。
量子物理世界一个奇异现象是纠缠效应，量子纠缠可以把两个或者更多粒子的命运关联在一起。
在这一奇特关联中的粒子“心心相印”，无论它们是在同一间实验室还是相隔整个星系，当测量其中一个状态时，另一个状态也会即刻发生相应改变。
形象点比喻，这就如同两张相距甚远的纸张，人们在其中一张纸上书写的时候，另一张纸上会立刻显现所书写的信息。(看上图)
爱因斯坦将其称为“遥远地点之间诡异互动”。但是为什么会有这种现象？这依然是一个深奥的谜。
将传送不可破解的密码
到时候，妈妈再也不用担心我的网上银行、手机支付、信用卡被盗号。美国再也不用担心“棱镜门”了……那样的泄密事件也不会发生了。
尽管神秘、令人琢磨不透的量子力学还迷雾重重，科学家们却已在利用量子世界的奇异特性开发威力强大的量子计算机和最为安全的量子通信。
量子计算利用量子态的叠加性质，可以实现计算能力的飞跃。太湖之光需要用100年计算的难题，量子计算机或许只需0.01秒。
然而，一些人对于量子计算机的恐惧多于期待。有专家指出，对于现有信息安全系统而言，一旦量子计算机横空出世，它将成为一支“利剑长矛”，可以攻破现在所有的密码。
所幸的是，量子物理同时提供了解决这一问题的办法。
如果量子计算机是“利剑长矛”，那量子密钥就是抵御它的“坚固盾牌”，它提供了一种不可窃听、不可破译的新一代密码技术。
中国科学院院士潘建伟说，量子密钥分发就是在A和B之间共同生成一串只有他们两边知道的随机数，然后用这个随机数来加密。量子密钥一旦被截获或者被测量，其自身状态就会立刻发生改变，从而一定会被发送方察觉并规避。由于量子密钥分发是最先实用化的量子信息技术，一般所说的量子通信即是指的量子密钥分发。
闻所未闻的天地互动
量子卫星升空后，卫星与地面站之间的互动才是重头戏。量子科学实验卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇，向《中国科学报》记者讲解了量子卫星技术的诸多“极限挑战”。
从太空向地面存钱罐扔硬币
在量子通信中，最大的难点在于如何实现天地一体化的量子联通。这就好比在万米高空，往地面的一个存钱罐里扔硬币，需要准确地将硬币投掷于储蓄罐的狭小入口。如果出现一点点偏差，信息的传递便会功亏一篑。
“量子的编码，就像计算机编码0101一样，有正负、垂直、水平等不同状态，要把量子的偏振方向检测出来，才能变成密码。”王建宇介绍说，量子里面有两组状态，一组是正交的，一组是倾斜45度的，所以，一共有四个不同的偏正状态。
不仅如此，地面上的存钱罐(接收装置)和天空中的投掷者(量子卫星)也不安生，它们都在不停地旋转运动。
“这就是瞄准和检测偏正的最大难度所在，我们要在双方都处于运动状态的情况下完成信息传递。”王建宇强调，稍微对不上一点点都不行，如果这样，地面上收到的就是误码了。
据王建宇介绍，一旦误码率高于3.5%，信息传输就没有意义了。“3.5%是个底线，通常我们会把误码率控制在1%~2%之间。”
在地球上看到月球的火柴光
如果说从太空向地面存钱罐扔硬币已经让人感到咋舌，那接下来的技术则更加让人目眩。
量子卫星采用的是单光子探测器，其目的是实现对每一个光子的捕捉。那么，这是一个什么概念呢？
“一个60瓦的灯泡，每秒钟发射的光子大约是10×10的20次方个，而一根火柴的最大光亮大约是3~5瓦。”王建宇说，量子卫星探测器灵敏度相当于在月球上点根火柴，我们在地球上用望远镜可以看到它的亮光。
如果考虑到火柴点燃后，光向四面八方的扩散效应，其观测难度可想而知。“探测器的灵敏度必须达到这种程度，才能捕获来自太空中的一颗颗光子。否则的话，天上的量子卫星就没有存在的意义了。”王建宇说。
或能实现《星际迷航》里的瞬间移动
中国科学家还计划在“世界屋脊”西藏阿里和卫星之间做一个有趣实验——量子隐形传态。
此前，科学家开展的量子隐形传态实验都是在地面进行的，“这次我们要测试能不能把地面的微观量子态传到太空。”潘建伟说。
虽然这与《星际迷航》中的“超时空传输”很类似，但目前科学家开展的量子隐形传态实验中，被传输的是信息而并非实物，而且仅限于一两个粒子的信息。距离隔空传输宏观物体的信息，哪怕是一粒沙子，都还很遥远。
即使永远无法进行真正的宏观物质的量子隐形传送，这并不意味着这种技术的发展不重要。量子隐形传态在量子计算机和量子通信中发挥着巨大作用。
这些，科学家已经开工了
中国科学家利用已有的天文观测台站，在云南丽江、新疆乌鲁木齐、青海德令哈、河北兴隆建设了量子通信地面站。而量子隐形传态实验需要从地面向卫星发射光子，为了避免大气湍流的影响，空间量子隐形传态实验站建在了海拔5100米的西藏阿里。
中国科学院院士潘建伟说：“我们的实验面积遍布60万平方公里，这形成了人类有史以来最大的‘天地一体化量子实验室’。”
在量子密钥分发和量子纠缠分发实验中，卫星产生光子并发射光子，与之对接的地面系统负责接收光子。
如果天地间的光子“接发球”顺利完成，意味着以往局限于地球上的量子通信实验场，将移师太空，构建星地一体的广域量子通信体系。
量子卫星总设计师朱振才说：“量子卫星的一个显著特点是要对德令哈与丽江，或德令哈与乌鲁木齐两个光学地面站同时实现对准，星上的光轴与地面望远镜光轴要严格对准，用一个形象的比喻就是针尖对麦芒。”
科学家说，这要求卫星的对准精度高于普通卫星的10倍，实验才能顺利展开。真正的问题在于，这颗卫星将在人们的头顶以约8公里/秒的速度飞驰，地面观测站每次只能持续跟踪几分钟。
潘建伟说，国外专家也测算过，以这样的技术，可以从地面上看到木星的卫星上汽车的牌照。
王建宇说：“我们要把科学家的梦想变为现实。研制量子卫星载荷，是我几十年科研生涯从没遇到过的挑战。
这是国际上第一颗量子卫星，我们原先的工作或多或少都能找到国际上的项目参考，但是这次的研发完全没有可以借鉴的，全部靠我们自己解决。”
量子将带来一个怎样的未来
量子科学和技术其实已经在方方面面影响着我们的日常生活。我们目前正在广为使用的计算机、手机、互联网、时间标准和导航，包括医院里的磁共振成像等等，无一不得益于量子科学和技术。
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；
再如可望制备出达到量子极限的能量收集和转换器件，将引发能源变革；也有望大幅提升对时间、位置、重力等物理量超高精度的测量，不仅实现超高精度的潜艇定位、医学检测等，也将加深对物理学基本原理的认识。
总之，量子科学和技术的广泛应用最终将把人类社会带入到量子时代，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。
为中国科技点赞!为中国科学家叫好!
监制：刘洪
记者：喻菲、王聪、杨春雪、荣启涵、吴晶晶、白国龙
制图：贺萌
编辑：王朝
http://weixin.100md.com
返回 新华社 返回首页 返回百拇医药