命名“墨子號”將推動量子通信從根本上解決信息安全問題

• 世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星發(fā)射成功。新華社發(fā)

　　昨天凌晨1點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將世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。我國在世界上首次實現(xiàn)了衛(wèi)星和地面之間的量子通信。

　　量子衛(wèi)星首席科學家潘建偉院士介紹，量子通信的安全性基于量子物理基本原理，確保了身份認證、傳輸加密以及數字簽名等的無條件安全，可從根本上、永久性解決信息安全問題。

　　將進行四大實驗任務

　　當今社會，信息的海量傳播背后也充斥著信息泄露的風險。而量子科學則為信息安全提供了“終極武器”。

　　據了解，這顆量子衛(wèi)星重600多公斤，命名為“墨子號”，以紀念這位生活在2000多年前的中國古代思想家。據了解，墨子是世界首位開展光學實驗的人。

　　目前，國際上還沒有一個國家將量子科學實驗送入空間，量子衛(wèi)星的研制沒有任何經驗可循?？茖W家在量子衛(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，科學家在地面建設了科學應用系統(tǒng)，包括1個中心——合肥量子科學實驗中心；4個站——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)星與地面站共同構成天地一體化量子科學實驗系統(tǒng)，將在兩年的設計壽命期間進行四大實驗任務——星地高速量子密鑰分發(fā)實驗、廣域量子通信網絡實驗、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。第二類相當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。

　　天地量子科學實驗非常復雜，對天地實驗設備的要求也異乎尋常的高。比如量子糾纏源，它只有機頂盒的大小，作用卻非常關鍵，它能夠產生糾纏光，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)。

　　下一步將建衛(wèi)星網絡

　　量子衛(wèi)星2011年12月立項，是中科院空間科學先導專項首批科學實驗衛(wèi)星之一。而它最初的構想，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，當大多數人仍致力于在實驗室內部的原理性演示時，潘建偉和同事們已經萌生了“天地一體化”量子通信網的初步構想，“量子科學實驗衛(wèi)星”正是這個構想中的關鍵節(jié)點。

　　圍繞這一遠景目標，潘建偉團隊致力于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)實驗等方面的研究，并不斷取得國際領先的突破性成果。2005年，潘建偉團隊在世界上首次實現(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。

　　潘建偉說，“墨子號”發(fā)射后，效果如能達到預期，下一步還計劃發(fā)射“墨子二號”“墨子三號”。“單顆低軌衛(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)星網絡?！钡?030年左右，中國力爭率先建成全球化的廣域量子保密通信網絡，并構建信息充分安全的“量子互聯(lián)網”。

　　“安全的通信是屬于我們的，但是科學研究是面向全世界開放的。”潘建偉透露，第一個開放的項目是與奧地利科學院合作，實現(xiàn)北京和維也納之間的洲際量子保密通信，之后將和更多國家合作開展量子信息技術方面的研究。

　　繼量子衛(wèi)星之后，潘建偉團隊還計劃開展空間站“量子調控與光傳輸研究”項目，研究星間量子通信技術等，同時進行量子密鑰組網應用等研究，為下一步衛(wèi)星組網奠定技術基礎。

　　釋疑

　　量子科學，對多數人來說都很陌生。但當它與信息技術相連，就與我們每個人息息相關。記者采訪了量子衛(wèi)星首席科學家潘建偉院士、中科院物理所研究員呂力、北京大學物理系教授劉雄軍，為你解讀量子世界。

　　1量子究竟是什么？

　　量子是構成物質的基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可再分割。比如，光子是光能量的最小單元，不存在“半個光子”。而量子世界中有兩個基本原理：

　　——量子疊加，就是指一個量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。著名的“薛定諤的貓”理論曾經形象地表述為“一只貓可以同時既是活的又是死的”。

　　——量子糾纏，類似孫悟空和他的分身，二者無論距離多遠都“心有靈犀”。當兩個微觀粒子處于糾纏態(tài)，不論分離多遠，對其中一個粒子的量子態(tài)做任何改變，另一個會立刻感受到，并做相應改變。

　　2量子通信絕對安全？

　　傳統(tǒng)光通信是通過光的強弱變化傳輸信息。從中分出一丁點光并不影響其他光繼續(xù)傳輸信息，測量這一丁點光原理上就能竊取信息。

　　量子通信則不同，竊聽者如果想攔截量子信號，并對其進行測量，將不可避免地破壞攜帶密鑰信息的量子態(tài)。根據量子“測不準定理”，這種破壞必然會被信息發(fā)送者和接收者所發(fā)現(xiàn)。同時，量子不可克隆定理又排除了“不破壞傳輸的量子態(tài)，只截取并復制再繼續(xù)發(fā)送”的可能，從而保證了量子通信的絕對安全。

　　3瞬間移動或能實現(xiàn)？

　　“量子態(tài)隱形傳輸”是基于量子疊加和量子糾纏的特性，就是甲地某一粒子的未知量子態(tài)，可以在乙地的另一粒子上還原出來。其實傳輸的是粒子的量子態(tài)，而不是粒子本身。這種狀態(tài)傳送的速度上限仍然是光速，也不是“瞬間移動”。

　　現(xiàn)在，在光子、原子等層面已經實現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳輸。電影里“大變活人”在原理上是允許的，但目前還遠遠做不到。因為科幻電影里人的傳送，不僅需要把人的實體部分的大量原子、分子傳送，并且嚴格按照原來的相對位置重新排列起來，更何況重現(xiàn)意識和記憶就更復雜了。

　　4量子大腦取代人類？

　　所謂量子大腦，其實就是當今正在研制中的量子計算機。未來的量子計算機可能會對人工智能起到極大的幫助，在數據搜索、分析和處理方面提供遠遠超過目前經典計算機的運算能力。

　　機器人都是預先設置好程序的，而人是有意識和自由意志的。研究發(fā)現(xiàn)，人腦中的思維機制與量子疊加、量子糾纏或許存在相似之處。所以也有學者認為，未來可望創(chuàng)造出與人腦一樣運行的人工智能機器人。真到這種程度，機器與生物之間的界限已經非常模糊。這在目前還只是一種暢想，未來究竟怎樣還得拭目以待。

　　5量子科技如何應用？

　　量子科技其實已在方方面面影響著我們的日常生活。如計算機、互聯(lián)網、醫(yī)院里的磁共振成像等，無一不得益于量子科技。

　　用發(fā)展的眼光看，隨著微納加工、超冷原子量子調控等技術的不斷進步，人類將能夠制備出越來越復雜、功能越來越強大的各種人造量子系統(tǒng)，例如包括量子計算機芯片在內的各種量子電路，其功能和信息處理能力將遠遠超過我們目前正在使用的經典芯片，并且更加節(jié)能。

　　量子科技的廣泛應用將把人類社會帶入量子時代，實現(xiàn)更高的工作效率、更安全的數據通信，以及更方便和更綠色的生活方式。

　　綜合京華時報記者潘珊菊新華社

　　編者注:原文標題為:《我國發(fā)射世界首顆量子衛(wèi)星》