命名“墨子號(hào)”將推動(dòng)量子通信從根本上解決信息安全問(wèn)題

• 世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功。新華社發(fā)

　　昨天凌晨1點(diǎn)40分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空。我國(guó)在世界上首次實(shí)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(xué)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(rèn)證、傳輸加密以及數(shù)字簽名等的無(wú)條件安全，可從根本上、永久性解決信息安全問(wèn)題。

　　將進(jìn)行四大實(shí)驗(yàn)任務(wù)

　　當(dāng)今社會(huì)，信息的海量傳播背后也充斥著信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)。而量子科學(xué)則為信息安全提供了“終極武器”。

　　據(jù)了解，這顆量子衛(wèi)星重600多公斤，命名為“墨子號(hào)”，以紀(jì)念這位生活在2000多年前的中國(guó)古代思想家。據(jù)了解，墨子是世界首位開(kāi)展光學(xué)實(shí)驗(yàn)的人。

　　目前，國(guó)際上還沒(méi)有一個(gè)國(guó)家將量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)送入空間，量子衛(wèi)星的研制沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)可循?？茖W(xué)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(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源和量子試驗(yàn)控制與處理機(jī)。

　　同時(shí)，科學(xué)家在地面建設(shè)了科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，包括1個(gè)中心——合肥量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心；4個(gè)站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站；1個(gè)平臺(tái)——阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。衛(wèi)星與地面站共同構(gòu)成天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將在兩年的設(shè)計(jì)壽命期間進(jìn)行四大實(shí)驗(yàn)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)、星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)、地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。

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

　　天地量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)非常復(fù)雜，對(duì)天地實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求也異乎尋常的高。比如量子糾纏源，它只有機(jī)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(shí)驗(yàn)的源頭。平時(shí)實(shí)驗(yàn)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(guò)一系列的創(chuàng)新讓它實(shí)現(xiàn)了滿足空間環(huán)境要求，在國(guó)際上是首次實(shí)現(xiàn)。

　　下一步將建衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

　　量子衛(wèi)星2011年12月立項(xiàng)，是中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)首批科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一。而它最初的構(gòu)想，始于十幾年前。

　　2001年，31歲的潘建偉從歐洲回國(guó)，在中科大組建了量子信息實(shí)驗(yàn)室。2003年，當(dāng)大多數(shù)人仍致力于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的原理性演示時(shí)，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(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正是這個(gè)構(gòu)想中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

　　圍繞這一遠(yuǎn)景目標(biāo)，潘建偉團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)等方面的研究，并不斷取得國(guó)際領(lǐng)先的突破性成果。2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上首次實(shí)現(xiàn)13公里自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)，證實(shí)光子穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持，從而驗(yàn)證了星地量子通信的可行性。

　　潘建偉說(shuō)，“墨子號(hào)”發(fā)射后，效果如能達(dá)到預(yù)期，下一步還計(jì)劃發(fā)射“墨子二號(hào)”“墨子三號(hào)”?！皢晤w低軌衛(wèi)星無(wú)法覆蓋全球，同時(shí)由于強(qiáng)烈的太陽(yáng)光背景，目前的星地量子通信只能在夜間進(jìn)行。要實(shí)現(xiàn)高效的全球化量子通信，還需要形成一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)?！钡?030年左右，中國(guó)力爭(zhēng)率先建成全球化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，并構(gòu)建信息充分安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”。

　　“安全的通信是屬于我們的，但是科學(xué)研究是面向全世界開(kāi)放的?！迸私▊ネ嘎?，第一個(gè)開(kāi)放的項(xiàng)目是與奧地利科學(xué)院合作，實(shí)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(guó)家合作開(kāi)展量子信息技術(shù)方面的研究。

　　繼量子衛(wèi)星之后，潘建偉團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃開(kāi)展空間站“量子調(diào)控與光傳輸研究”項(xiàng)目，研究星間量子通信技術(shù)等，同時(shí)進(jìn)行量子密鑰組網(wǎng)應(yīng)用等研究，為下一步衛(wèi)星組網(wǎng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

　　釋疑

　　量子科學(xué)，對(duì)多數(shù)人來(lái)說(shuō)都很陌生。但當(dāng)它與信息技術(shù)相連，就與我們每個(gè)人息息相關(guān)。記者采訪了量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士、中科院物理所研究員呂力、北京大學(xué)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(gòu)成物質(zhì)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(gè)光子”。而量子世界中有兩個(gè)基本原理：

　　——量子疊加，就是指一個(gè)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(jīng)形象地表述為“一只貓可以同時(shí)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(wú)論距離多遠(yuǎn)都“心有靈犀”。當(dāng)兩個(gè)微觀粒子處于糾纏態(tài)，不論分離多遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)粒子的量子態(tài)做任何改變，另一個(gè)會(huì)立刻感受到，并做相應(yīng)改變。

　　2量子通信絕對(duì)安全？

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

　　量子通信則不同，竊聽(tīng)者如果想攔截量子信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，將不可避免地破壞攜帶密鑰信息的量子態(tài)。根據(jù)量子“測(cè)不準(zhǔn)定理”，這種破壞必然會(huì)被信息發(fā)送者和接收者所發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，量子不可克隆定理又排除了“不破壞傳輸?shù)牧孔討B(tài)，只截取并復(fù)制再繼續(xù)發(fā)送”的可能，從而保證了量子通信的絕對(duì)安全。

　　3瞬間移動(dòng)或能實(shí)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(lái)。其實(shí)傳輸?shù)氖橇Ｗ拥牧孔討B(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(dòng)”。

　　現(xiàn)在，在光子、原子等層面已經(jīng)實(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)做不到。因?yàn)榭苹秒娪袄锶说膫魉?，不僅需要把人的實(shí)體部分的大量原子、分子傳送，并且嚴(yán)格按照原來(lái)的相對(duì)位置重新排列起來(lái)，更何況重現(xiàn)意識(shí)和記憶就更復(fù)雜了。

　　4量子大腦取代人類？

　　所謂量子大腦，其實(shí)就是當(dāng)今正在研制中的量子計(jì)算機(jī)。未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)對(duì)人工智能起到極大的幫助，在數(shù)據(jù)搜索、分析和處理方面提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。

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

　　5量子科技如何應(yīng)用？

　　量子科技其實(shí)已在方方面面影響著我們的日常生活。如計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)院里的磁共振成像等，無(wú)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(diào)控等技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類將能夠制備出越來(lái)越復(fù)雜、功能越來(lái)越強(qiáng)大的各種人造量子系統(tǒng)，例如包括量子計(jì)算機(jī)芯片在內(nèi)的各種量子電路，其功能和信息處理能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)我們目前正在使用的經(jīng)典芯片，并且更加節(jié)能。

　　量子科技的廣泛應(yīng)用將把人類社會(huì)帶入量子時(shí)代，實(shí)現(xiàn)更高的工作效率、更安全的數(shù)據(jù)通信，以及更方便和更綠色的生活方式。

　　綜合京華時(shí)報(bào)記者潘珊菊新華社

　　編者注:原文標(biāo)題為:《我國(guó)發(fā)射世界首顆量子衛(wèi)星》