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揭秘全球首颗量子卫星:无条件安全通信成可能

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发表于 2016-8-16 21:21:43 来自手机 | 显示全部楼层 |阅读模式
什么是量子和量子通信


量子是物理世界里最小的、不可分割的基本个体。可以说,整个世界都是由量子组成的。而量子理论,被称为物理世界的百岁“幽灵”,连不少科学家都为其产生的神秘现象所迷惑,对于普通人来说自然更加高深。但若试着走近它,你会发现这个“幽灵”的魅力。

量子的奇妙之处首先在于它的奇妙特性——量子叠加原理和量子纠缠。

什么是量子叠加原理?就是说,量子有多个可能状态的叠加态,只有在被观测或测量时,才会随机地呈现出某种确定的状态,因此,对物质的测量意味着扰动,会改变被测量物质的状态。“这就好比孙悟空的分身术”,量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟解释道,“一个孙悟空同时出现在多个地方,孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。在日常生活中,我不可能同时出现在两个地方,但在量子世界里,作为一个微观的客体,它同时出现在许多地方。”

而所谓的量子纠缠,则意味着两个纠缠在一起的量子就像有心电感应的双胞胎,不管两个人的距离有多远,当哥哥的状态发生变化时,弟弟的状态也跟着发生一样的变化。“如果这两个光量子呈纠缠态的话,哪怕是千公里量级或者更远的距离,大家认为,还是会出现遥远的点之间的诡异互动。”潘建伟补充道,两个处于纠缠状态的粒子无论相距多远,都能“感应”对方状态,爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。科学家就可以利用这种效应将甲地某一粒子的未知量子态,在乙地的另一粒子上还原出来。

随着这两种特性被科学家不断认识,适用于实际应用的新技术也被逐渐开拓出来,量子通信就是其中之一。

以往用以微电子技术为基础的计算机技术传递信息极易遭遇窃听,但通过把量子物理与信息技术相结合,利用量子调控技术,能够用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵,从而在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典信息技术的瓶颈,这就是量子通信。

通常认为,量子通信分为两种,一种是量子保密通信(量子密钥分发);另外一种是量子隐形传态。

量子保密通信,就好比一个人想要传递秘密给另外一个人,需要把存放秘密的箱子和一把钥匙传给接收方。接收方只有用这把钥匙打开箱子,才能取到秘密。没有这把钥匙,别人无法打开箱子,而且一旦这把钥匙被别人动过,传送者会立刻发现,原有的钥匙作废,再给一把新的钥匙,直到确保接收方本人拿到。

那么,为何钥匙被别人一碰,就能立刻被知晓呢?

因为,科学家利用了上面提到过的量子有多个叠加态的原理,用量子作为密钥。这样一来,一旦有人试图截获或测试量子密钥,就会改变量子状态,科学家便能立刻从改变中发现有人动了钥匙。所以,利用量子不可克隆和不可分割的特性,就能实现无条件安全的通信方式。

量子通信的另一种——量子隐形传态也利用了量子的两大特性,通过隐形传输实现信息传递。也就是说,将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点而不用传送粒子本身。


为何要发射量子卫星


量子保密通信技术已经从实验室演示走向产业化。在城市里,通过光纤建构的城域量子网络通信已经开始尝试实际应用,我国在城域光纤量子通信方面已取得了国际领先的地位。

那为什么还要把量子实验室从地面搬到太空呢?

“由于光纤的固有损耗,在光纤中实现远距离量子通信面临着巨大挑战。”潘建伟说。

原来,用量子通信方式传递信息,传送的是光的最小能量单元。但这种最小的颗粒,不能再被分割,也不能复制。即使采用目前最先进的理想单光子探测器,在1000公里光纤中进行点对点量子通信,每300年也只能传输一个比特。“就好比一支拥有100万人的队伍,到最后可能只剩下几个人,花了很长时间才能抵达目的地。”这种受制于光纤,不能放大量子通信信号的问题,导致了在远距离上信息传递效率很低,令科学家们一筹莫展。虽然通过量子中继手段,即分成若干段传输来降低每一段的损耗,用“量子接力”的方式解决这一难题,但走向实际应用还需时日。

后来,科学家意识到,真空里不会有光的损耗,想要实现覆盖全球的广域量子保密通信,还需要借助卫星的中转。

2005年,潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验,证明光子穿透大气层后,其量子态能够有效保持,从而验证了星地量子通信的可行性。近几年开展的一系列后续实验都为发射量子卫星奠定了技术基础。

“这样一来,通过发射卫星,去除干扰因素,就可以实现几千公里的量子通信。”潘建伟说,有了量子卫星,还可以在宏观距离上检验所谓的量子力学的非局域性,也就是“幽灵般的超距作用”。“看看在实验室里不断被重复检验的理论,放在太空是否还能实现。”


将开展哪些实验
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