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揭秘全球首颗量子卫星——

迈向“无条件安全通信”的大门

发布时间:2016-08-17 06:05 来源:中青在线 作者:邱晨辉

  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发射升空。新华社记者 金立旺/摄

  传一封密信,只让天知地知、你知我知,这很可能不再只是一句承诺,因为量子信息科学的发展正逐渐将其变为现实。

  尽管信息安全还牵涉不少人为的因素,但在科学家看来,量子信息科学至少能够在硬件上将“泄密”的可能性降到最低,甚至抵达一种“绝对安全”的地步。

  正如量子科学实验卫星(以下简称“量子卫星”)首席科学家、中国科学技术大学常务副校长潘建伟院士所说,斯诺登事件告诉我们,在传输线路中可以进行光缆的无感窃听,黑客的攻击无所不在;而量子通讯,是目前人类唯一已知的无条件安全的通信方式,根据量子理论可从根本上解决通信安全的问题。

  今天凌晨,我国成功发射的全球第一颗量子卫星,就是科学家向“无条件安全通信”的目标而迈出的重要一步,这意味着我国将在世界上率先实践量子通信。中国青年报·中青在线记者在发射现场采访相关专家对此进行解读。

  量 子

  ——不可分割的最基本单元

  这一切都要从量子说起。何谓量子?它和原子、电子、中子这些客观存在的粒子一样,也是某一种物质实体吗?

  答案是否定的。量子不是一种粒子,而是构成物质的最基本单元,是能量的最基本携带者,不可分割。所有人们所熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子,都是量子的一种表现形态。

  那么,既然世界是由微观粒子组成的,从某种意义上来说,世界本身也就是由量子组成的。以光为例,是由一个个“光量子”所组成的,一个“光量子”的能量就是光能量变化的最小单位。

  可别小看这个最基本的单元,它有着一个可以挑战人类传统认知的特性——量子叠加。

  何谓量子叠加?潘建伟有一个相对通俗的解释:经典世界里可以用某个物体的两个状态代表0 或1,比如一只猫,或者是死,或者是活,但不能同时处于死和活的状态中间。

  但在量子世界,不仅有0和1的状态,某些时候像原子、分子、光子可以同时处于0和1状态相干的叠加。比如光子的偏振状态,在真空中传递的时候,可以沿水平方向振动,可以沿竖直方向振动,也可以处于45°斜振动,这个现象正是水平和竖直偏振两个状态的相干叠加。

  这种所谓的量子相干叠加是量子世界与经典世界的根本区别——著名的“薛定谔猫”形象地描述了这个佯谬。在经典世界里,猫要不然是活的,要不然是死的,然而一只量子的猫却可以处在“死”和“活”的叠加状态上。

  潘建伟说,正是量子叠加状态导致了量子力学的不确定原理,即如果事先不知道单个量子状态,就不可能通过测量把状态的信息完全读取;不能读取就不能复制。这是量子的两个基本特性。在量子叠加原理基础之上,衍生出了量子的另一个奇妙特性,叫做“量子纠缠”。

  潘建伟打了一个比方:甲、乙两人分处异地,两人同时玩一个游戏——掷骰子,甲在一地扔骰子,每次扔一下,1/6 的概率随机得到1到6其中的某一个数字;同时,乙在另一地掷骰子,尽管两人每一次单边结果都是随机的,但每一次的结果却是一模一样的,就好像是双胞胎心灵感应一样。

  这就是“量子纠缠”。

  若两个量子粒子处在特殊的状态中,不管其空间分离得多远,当对其中一个粒子施行操作或测量,远处的另一个粒子状态会瞬时地发生相应变化,爱因斯坦称这个现象为“幽灵般的超距作用”。

  这种“量子纠缠”的“分身术”,有一个最为直接的应用,就是备受关注的量子保密通信。

  量子通信

  ——目前唯一已知的无条件安全通信

  当前,被认为最安全的信息传递方式是光纤通讯。光缆能把所有的光能限制在光纤里,外面得不到能量,所以这个传输被认为是安全的。但随着科技发展,只需让光缆泄露哪怕很少一部分能量,外人就能够窃听光缆传递的信号。

  潘建伟说,这是因为经典通信的信号只有0和1,发生窃听时,这两种信号不会被扰动。

  比如说,当两人打电话时,他人可通过窃听器从通信线路中的上千万个电子中分出一些电子,使其进入另一根线路,从而实现窃听,而通话者无法察觉。“棱镜门”等事件的曝光便是最好的例证。

  量子通信则不会出现这个问题。潘建伟说,这是因为其密钥具有不可复制性和绝对安全性。一旦有人窃取密钥,整个通信信息就会“自毁”并告知使用者。

  他举了一个例子:甲、乙二人要进行安全通信,甲发出的光子信息状态有水平、竖直、45°等,假设有人窃听——

  第一种方法是将单光子分割成两部分,让其中一部分继续传送,而对另一部分进行状态测量获取密钥信息。但由于单光子不可分割,因此这是不可能的。

  第二种可能的方法是窃听者希望截取单光子后,测量其状态,然后根据测量结果发送一个新光子给接收方。但由于窃听者不能精确地对光子的状态进行测量,所以发送给接收方的光子的状态与其原始状态会存在偏差。这样,发送方和接收方可以利用这个偏差来探测到窃听者对光子的测量扰动,从而检验他们之间所建立的密钥的安全性。

  第三种可能的方法是窃听者截取单光子后,通过复制单光子的状态来窃取信息。但按照量子不可克隆原理,未知的量子态不可能被精确复制。

  因此潘建伟认为,根据量子力学原理,无论怎样,窃听都可以被发现。一旦被发现,原有密钥立即作废。甲就可以把没有被窃听的密钥传送过去,利用产生的密钥进行“一次一密”完全随机的加密。所以,利用量子不可克隆和不可分割的特性可以实现安全量子密钥分发,实现不可破译的保密通信。

  换句话说,无论破译者掌握了多么先进的窃听技术、多强大的破译能力,只要量子力学规律依然成立,由量子通信建立起的秘密就无法被破解。

  这一套说法的问世,也重新点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。潘建伟说,通向“绝对安全通信”这个千百年来人类梦想大道的入口,在量子物理的指引下,又重新显露在人们视野之中。

  量子科学实验卫星

  ——率先向“绝对安全”的通信发起实践

  如今,量子信息“不可估量的前景”让量子通信的实用化和产业化成为包括欧盟、美国、日本和中国在内的各个大国争相追逐的目标——

  2008年,欧盟启动量子通信技术标准化研究,并成立“基于量子密码的安全通信”工程,目前,欧盟计划启动10亿欧元的量子技术旗舰项目,旨在建立极具竞争力的欧洲量子产业。

  美国同样积极,其国防部支持的“高级研发活动”计划将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及长距离光纤网络;NASA也计划在其总部和喷气推进实验室之间建立一个直线600公里、包含10个骨干节点的远距离光纤量子通信干线,并计划拓展到星地通信。

  日本也提出了量子信息长期战略。日本国立信息通信研究院计划在2020年实现量子中继,到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络。

  中国也在发力。2013年,中科院设立了量子卫星战略先导专项计划,按照这一计划,我国量子通信技术发展分三步:一是通过光纤实现城域网络;二是通过量子中继器实现城际网络;三是通过卫星中转实现可覆盖全球的广域网络。

  此次量子卫星的发射,开启了第三步。

  中科院国家空间科学中心主任吴季说,量子卫星需要在两年的设计寿命中,完成星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验和地星量子隐形传态实验等4大任务,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破,检验量子力学完备性。

  这些实验将通过我国自主研发的星地量子通信设备完成,它能够产生经过编码的、甚至是纠缠的光子并发射到地面上,与之对接的地面系统则负责“接收光子”,这种光子的发射与接收被称为“针尖对麦芒”。

  这并不容易。量子卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇打了个比方:如果把光量子看成一个个1元硬币,星地实验就相当于要从在万米高空飞行的飞机上,不断把上亿个硬币发射到地面上一个不断旋转的储蓄罐里,这不但要求硬币瞄准精度,击中储蓄罐,而且要使得硬币能够准确地、源源不断地射入储蓄罐细长的投币口。

  “这就要求在飞行的过程中必须始终保证精确对准,跟踪要达到相当高的精度,这也是国际上从来没有人做过的。”王建宇说。

  最终,中国科学家成功研制出量子卫星,潘建伟说,这不仅是我国量子保密通信领域“杀手锏”技术研发的重大突破,实现了从跟随创新到引领创新、从集成创新到原始创新的跨越,同时也是世界量子通信技术的重要创新,它有望使人类科技发展史上“最安全的通信手段”具备覆盖全球的能力。

  天地一体化的量子通信网络

  ——向覆盖全球的量子保密通信网络冲击

  那么,为何我国能先于欧美发射量子卫星?潘建伟说,当大多数人仍致力于实验室内部的原理性演示时,他们的团队已经开始思考如何能够在太空中实现量子信息传输,并早在2003年就初步构想了量子卫星计划——“在行动上,我们并不落后于其他国家”。

  如今,卫星成功发射。不少门外汉经常有一种误读,即卫星上了天,就意味着关于量子卫星的事情到此结束了,但事实上,对科学家而言,卫星上天后,量子通信之路才刚刚开始。

  “这不仅是因为量子卫星需要在未来两年做各种天地之间的实验,更是因为,要实现全球化量子通信还需要长期的努力,特别是需要多颗卫星的组网。”量子卫星科学应用系统总师兼卫星系统副总师、中国科大微尺度物质科学国家实验室研究员彭承志说。

  彭承志认为,在首颗量子卫星发射成功、卫星组网的关键技术得以突破后,中国还将发射多颗卫星,计划到2020年,实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发,建成连接亚洲与欧洲的洲际量子通信网;到2030年左右建成全球化的广域量子通信网络。

  根据潘建伟的设想,卫星成功发射之后,同样由他牵头承担的世界上第一条远距离量子通信保密干线“京沪干线”,也将于今年下半年开通。

  届时,一星一地,交相呼应。

  潘建伟说,这两大工程的配合,有望实现高速星地量子通信、并连接地面的城域量子通信网络,初步构建成我国天地一体化的量子通信网络雏形,并最终将目标设定为建立一个覆盖全国甚至覆盖全球的广域量子保密通信网络。

  潘建伟表示,随着中国科技的迅猛发展,他相信量子通信将在不到10年的时间里辐射千家万户。“期盼在我有生之年,能亲眼目睹以量子计算为终端、以量子通信为安全保障的量子互联网的诞生。”他说。

  本报酒泉8月16日电

【责任编辑:陈超国】
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