领先全球!带你细细解读中国首颗量子卫星

领先全球!带你细细解读中国首颗量子卫星

  • 中国骄傲“墨子”飞升


      2016 年 8 月 16 日 1 时 40 分,酒泉卫星发射中心。我国的长征二号丁运载火箭将一颗名为“墨子号”的卫星成功送上太空。这个消息,毫无疑问令国人都为之鼓舞。

      为什么一颗卫星会受到如此多的关注呢?原来“墨子号”是一颗量子科学实验卫星,它的发射有望将在天地之间建立量子通信。这样的计划,不仅是在我国,包括在全世界都是第一次。为了这一天,科学家们准备了十多年。这一件事,其实已经是足以载入史册的大事件了。

      这样的消息,每一个中国人都有理由为之感到振奋和自豪,但是我们该怎么去理解这么一个成就呢?毕竟“量子”这种物理概念一看就是高端无比。欢呼过后,我们需要想一想,“墨子号”量子卫星究竟有什么样的神通?这样的技术发展到最后将能够为我们普通人带来些什么样的益处?
  • 玄之又玄说量子


      “墨子号”量子卫星其中的一个任务是要检验所谓的量子纠缠现象。这个名字虽然看起来很难懂,但要解释也可以非常简单:两个或两个以上的粒子如果进入互相纠缠的状态,那么即使它们在空间上分开,甚至远隔天涯,没有任何通常意义上的联系,其中一个粒子的状态变化也会引发另一个粒子即刻的状态变化。

      量子纠缠可以说是量子力学中最诡异和荒谬的现象之一了,甚至于这种现象已被数学所证明,或许是太过反直观,天才的爱因斯坦仍旧不相信他口中这“鬼魅般的远距作用”是存在的,宁愿认为是数学出了错。毕竟,古典物理学认为,一个物体只能被它周围的环境直接影响。至死,爱因斯坦都认为量子力学是个不完备的理论。

      好在从那以后经过许多年的争论和实验,科学家实质上已经验证了这一现象,并进行了实验室环境下的实践。我们中国在这方面的研究也有一段时间的历史,并非一片空白。早在 2005 年的时候,中国科学技术大学的潘建伟团队就在合肥实现了 13 公里的自由空间量子纠缠和密钥分发实验,并证明了光子穿透大气层后量子态能够有效保持。11 年后,同样是潘建伟作为首席科学家,他主导研制的“墨子号”飞上太空。可以说,那一次的实验为今天的成就打下了基础。
  • 牢不可破的防御


      量子力学虽然奇异有趣,但说起来它现在离我们的日常生活终究还是太远。除了实验验证外,“墨子号”量子卫星还承担着怎样的任务,和我们每个人的生活息息相关的呢?那就是量子保密通信。

      量子信息领域最令人们期待的莫过于量子隐形传态和量子计算了。虽然这两项技术如今还难以实现,但“墨子号”即将要实现的空地量子密钥分发却成为了现实。而这,将成为我们未来绝对安全的保障。

      我们总说“世上没有不透风的墙”,但是量子密钥技术却真的能够做到密不透风。光子作为光的最小粒子,它具有单个光子不可被分割,以及不可被精确复制这两个属性。这些特性使得光子在传递信息的时候,窃听者无法提取信息,而且复制的企图必然会被察觉。这样一来,就意味着加密过的信息在物理层面上绝不可能被截获,其安全性的提升可以想见。

      简单来说,我们只要拥有绝对安全,绝对无法被截获的信息传输,就再也不用担心自己的隐私在传输的过程中遭到任何可能的泄露了。如今大家对于自己的隐私非常重视,这个技术的发展也将解决我们心中的隐忧。

      科学家之所以要通过卫星的形式来完成量子通信,是因为光纤传输的信号损失是非常严重的,量子通信信号超过 200 公里就会被损耗殆尽。如果要通过光纤进行远距离的信号传输,那就必须要建立大量的中继站,从而大幅增加信息泄露的可能性。通过卫星则不同,光在穿透大气层时能量损耗仅有 20%。这样,别看卫星和地面相隔如此之远,其传输损耗其实远小于光纤传输的损耗。

      如此一来,如果我们能够通过卫星作为中继站,就能够将地面上的多个城际量子通信网络串起来,实现广域化的量子加密通信了。更进一步的,“墨子号”还将连接中国和奥地利两国,证明全球规模的量子通信网络是有效可行的。
  • 针尖对麦芒


      要实现天地之间的量子通信,不用说我们也应该能够体会到其中的无比艰难。引用潘建伟的一个非常形象的比喻,其难度就好比是“针尖对麦芒”一般。

      别忘了,卫星所要发射的光信号只是单个光子的级别,这就意味着它非常微弱,非常容易受到干扰,任何一点其他的光源都可能会成为干扰源,严重影响信号的传输。另外,因为卫星的运动速度很高,位于地面的接收天线要在这样的环境下保证准确接收,难度可想而知。

      量子卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇的比喻或许更方面我们去理解:如果把光子视为一个一个的一元钱硬币,那么从卫星到地面的传输就好比从万米高空中的飞机上,不间断地将这些硬币扔进地面上一个不断旋转的存钱罐里,更别提这个“存钱罐”的口子还十分细长了。

      为了能让如此苛刻的条件得以满足,从 2012 年开始潘建伟团队和王建宇团队就一直在紧密合作,进行各种相关的模拟实验,终于这些难关被攻破了。“目前的技术,相当于从地球上看清木星卫星上的车牌号码。”潘建伟在说这些时不无得意。
  • 未来更美好


      潘建伟表示,他相信量子通信能够在不到 10 年的时间里辐射千家万户。如果顺利的话,2030 年有望全面铺开,成为全球化的广域量子通信网络。量子技术看似离我们很远,其实它离我们已经非常近了。

      事实上,北京、上海、合肥和济南四个城市都已经建立起了城际量子通信网,通过卫星中继,这些网络将形成更为庞大的广域网。欧美的量子物理学家纷纷寻求合作,“墨子号”升空的一年后,我国将会和欧洲开始共同组网研究。现在已经翱翔天际的“墨子号”,代表着一个开端。

      有了绝对保证安全的信息传输手段,人们如今一直在担心的问题或将不再发生。我们可以高枕无忧,不再担心自己的隐私信息遭到泄露。随着技术的发展,量子隐形传态和量子计算也终将会实现,我们也将迎来一个更加美好的未来。
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