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全球首顆量子實驗衛星發射,它將怎樣改變世界?


2016年8月16日,中國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星發射升空。圖為2011年9月29日,長徵2F火箭發射中共空間實驗室雛形天宮一號。
之所以給衛星起名墨子號,是因為墨子在兩千多年前就設計了小孔成像實驗,是中國歷史上最早的光學家。攝 : Lintao Zhang/GETTY

8月16日凌晨1時40分,全球首顆量子科學實驗衞星「墨子號」在中國甘肅酒泉衞星發射中心由「長征二號丁」運載火箭發射升空。新華社報導稱,墨子號將首次實現衞星與地面之間的量子通訊,並構建「天地一體化」的量子保密通訊與科學實驗體系。或者通俗點說,人類將第一次在太空中實現目前已知的最先進、最安全的信息傳送手段——量子通訊。

從原理上來説,量子通訊是無條件安全的通訊方式。由於作為信息載體的單光子不可分割、量子狀態不可克隆,可以實現抵禦任何竊聽的密鑰分發,進而能保證用其加密的內容不可破譯。

量子衞星首席科學家、中國科學院院士潘建偉

為何要發展量子通訊技術?

在全球互聯網產業迅猛發展的大背景下,網絡通訊安全成為重要議題。與傳統加密通訊手段相比,量子通訊技術被寄予厚望。因為採用量子密鑰分發(Quantum Key Distribution)對通訊數據加密後,如果有第三方試圖通過測量截取密鑰,那麼基於量子力學原理 -- 任何對量子系統的測量都會改變整個系統,通訊雙方將會迅速察覺。

量子密鑰分發

利用量子力學特性,使通訊雙方能夠產生並分享一個隨機的、安全的密鑰,來加密和解密訊息。量子密碼的安全性基於量子力學的基本原理,而傳統密碼學是基於某些數學算法的計算複雜度。傳統密碼學無法察覺竊聽,也就無法保證密鑰的安全性。量子密碼只用於產生和分發密鑰,並沒有傳輸任何實質的訊息。密鑰可用於某些加密算法來加密訊息,加密過的訊息可以在標準信道中傳輸。(資料來自維基百科)

由墨子號量子衞星首席科學家潘建偉率領的中國科學技術大學(下稱中科大)研究團隊,在量子通訊技術的實現方面頗有建樹。潘建偉曾於2012年獲得國際量子通訊獎(International Quantum Communication Award),亦是該獎項的首位華人得主。2015年底,英國物理學會旗下雜誌《物理世界》(Physics World)評選當年國際物理學十大突破,潘建偉團隊因首次實現光子多自由度的量子隱形傳態(Quantum Teleportation)被位列榜首。

在此基礎之上,中國自2011年開始啟動量子衛星研製計劃,又於2013年啟動光纖量子通訊網絡工程「京滬幹線」項目。目前仍在建設中的「京滬幹線」將連接北京、濟南、合肥、上海,全長2025公里,是世界首例千公里級高可信、可擴展的廣域光纖量子通訊網絡,建成後將用於金融、政務等領域的安全傳輸。

中國還計劃於2030年左右建成全球化量子通訊網絡,墨子號的發射對於實現這一目標至關重要。

地面上的量子通訊應用進展迅速,但自由空間量子通訊還很落後,所以衞星在太空中實現量子通訊實驗是一個巨大的進步……空間量子通訊最初可能有點像早期的人造衞星一樣笨拙,但一段時間後就會變得有趣,提供很多有用的服務和信息。

意大利帕多瓦大學教授 Paolo Villoresi

墨子號上天後要做些什麼?

據潘建偉介紹,發射墨子號量子衛星有基於應用和基礎研究兩方面的目的。在應用方面,如果利用量子衛星,光子信號在穿過大氣層後只有20%左右會損失掉,比光纖傳輸有效得多;在基礎研究方面,衛星可以幫助在宏觀距離上檢驗量子力學的非局域性(Non-Locality),即被著名物理學家愛因斯坦諷刺為「幽靈般的遠程效應」的量子糾纏(Quantum Entanglement)

量子糾纏

在量子力學理論中,量子糾纏效應「糾纏」了物理學家們幾十年,至今也沒人能弄清背後的機制。這一效應描述了一個亞原子粒子(比原子更小的諸如電子、中子、光子等粒子)的狀態可以「瞬間」對另外一個亞原子粒子的狀態產生影響的現象,無論它們相距多遠。像光子、電子一類的微觀粒子,或者像分子、巴克明斯特富勒烯,甚至像小鑽石一類的介觀粒子,都可以觀察到量子糾纏現象。其研究焦點現已轉至通訊及電腦領域的應用。(資料來自維基百科)

墨子號本次被發射至高度為500公里的預定軌道,其有效負載包括量子糾纏源、量子糾纏發射機、量子密鑰通訊機和量子實驗控制與處理機等,這些裝置將共同完成糾纏光子的生成、發送、地面通訊及實驗控制。而包括南山、德令哈、興隆和麗江等4個量子通訊地面站和阿里量子隱形傳態實驗站在內的地面工程,則與墨子號共同構成量子科學實驗系統。

此外,墨子號還將在中國北京和奧地利維也納之間嘗試超遠距離的洲際量子密鑰分發,以及嘗試與地面光纖量子通訊網絡連接,為未來覆蓋全球的「天地一體化」量子通訊網絡建立技術基礎。

維也納大學物理學教授 Anton Zeilinger 表示,這將是人類首次實現全球尺度的量子通訊,是邁向量子互聯網的重要一步;而大尺度的量子糾纏實驗如果運行順利,也能為相對論的驗證提供重要信息。

不過,中科大微尺度物質科學國家實驗室研究員彭承志表示,墨子號量子衛星是一顆低軌衛星,只能在晚上進行量子通訊,其空間覆蓋能力和應用都還比較有限。他續指,從長遠來看,「要實現全球化量子通訊,還需要長期的努力,特別是需要多顆衞星的組網。」

10000+
2013年,中國科學技術大學量子隱形傳態研究組測出,量子糾纏的傳輸速度至少比光速快10000倍。

聲音

如果此次量子衞星上的實驗能夠獲得成功,那麼它肯定會為最終的量子互聯網打下堅實基礎。但量子互聯網是否將成為未來全球通訊的潮流?我認為,量子互聯網是否會建立起來,取決於國際社會是否認為這種系統的收益大於成本。

諾貝爾物理學獎得主 Anthony Leggett

量子通訊網絡需要在更大範圍里,通過更多的用戶體驗,進一步驗證其穩定性,提高其可用性。只有具備了穩定性,才會擁有更多的用戶。

中科大微尺度物質科學國家實驗室研究員陳宇翱

量子力學走到今天,已經在很多不同的環境和體系下被檢驗過多次,幾乎不會有人真的以為,在延伸到太空甚至更遠的距離上,量子力學本身就會不再有效。不過,這一點如果能夠經過實驗驗證的話,當然更好。

美國麻省理工學院物理學教授 Vladan Vuletic

來源:果殼網深科技新華社The Verge

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