“墨子號”星際首航是咋回事

林梅

這是中國第一顆，也是世界第一顆上天的量子衛(wèi)星?！澳犹枴鄙咸斓哪康?，一是發(fā)展量子通信和加密技術(shù)，二是驗證量子力學(xué)的有效性。如果實驗成功，它將有可能建立比經(jīng)典物理學(xué)更強有力的地面系統(tǒng)與空間系統(tǒng)鏈接

量子世界

“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論?！绷孔游锢韺W(xué)大師尼爾斯·玻爾（Niels Henrik David Bohr）曾這樣說過。

在量子世界里，盒子里薛定諤的貓可以既死又活，直至我們打開盒子看它。相距遙遠的一對粒子可以存在“心靈感應(yīng)”，一個粒子的狀態(tài)隨另一個瞬時變化。前者，我們叫它“量子疊加”，而后者，則是“量子糾纏”。

量子態(tài)疊加是指粒子可以同時處于不止一種狀態(tài)的相干疊加。例如，同一時刻，電子自旋方向可以既是順時針又是逆時針，或者原子同時處于激發(fā)態(tài)和基態(tài)。而量子糾纏是指，兩個微觀世界的粒子可以具有某種狀態(tài)上的關(guān)聯(lián)，無論它們距離多遠，只要其中一個被測量到處于某種狀態(tài)，另一個也會在同時塌縮到某種狀態(tài)。

因為這神奇的量子糾纏是非局域的，所以兩個糾纏的粒子無論相距多遠，測量其中一個粒子的狀態(tài)，必然能同時獲得另一個粒子的狀態(tài)，而這個“信息”的獲取又不受光速限制，物理學(xué)家自然想到，能否利用這種跨越空間的糾纏態(tài)進行信息傳輸？于是，基于量子糾纏態(tài)的量子通信應(yīng)運而生，這種試圖通過跨越空間的量子糾纏來實現(xiàn)對量子傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，被稱為“量子隱形傳態(tài)”。

量子世界里這兩種帶有神秘色彩的性質(zhì)讓無數(shù)物理學(xué)家為之著迷。在探尋其本質(zhì)的道路上，世界上最頂尖的大腦共同推動著量子物理革命的發(fā)生，經(jīng)典物理的大廈轟然倒塌。人類花了百年的時間，試圖探究量子世界的圖景。

量子密鑰的應(yīng)用

科學(xué)家現(xiàn)在還無從得知量子疊加的機制，但這一現(xiàn)象早已被實驗證實并走向應(yīng)用，其中，量子密鑰是發(fā)展最為迅猛的一個。在人類的通信史上，如何將信息傳遞得更快、更遠、更安全、更高效，一直是人類追求的方向。而以量子理論為基礎(chǔ)的量子通信技術(shù)，以其絕對的保密性能，被看作是未來保障信息安全的有力工具。所謂密鑰，顧名思義，就是用來加密和解密的密碼本，我們可以想象成用來加鎖和解鎖的鑰匙。

在傳統(tǒng)的密碼學(xué)中，采用的密鑰有兩種——公鑰和私鑰。私鑰是一種對稱密鑰，加密的人和解密的人用同一套密碼，好比加鎖和解鎖的人用同一把鑰匙。這種方法有一個致命缺陷，那就是即使不惜耗費資源，一次一密，也很難保證這把鑰匙半路不被人偷看、復(fù)制。所以，在實際應(yīng)用中，公鑰是更普遍的選擇，它是一種非對稱密鑰，加鎖和解鎖用的鑰匙不一樣。解密用的密碼需要對公鑰進行大數(shù)分解之類的復(fù)雜算法才能得到，也就是說，這種秘鑰即使被竊聽復(fù)制也沒關(guān)系，它的安全性依賴于復(fù)雜的算法，理論上竊聽者破解起來需要成千上萬年。

但是隨著竊聽者計算能力的提高，特別是量子計算機一旦成為現(xiàn)實，這些復(fù)雜的算法破解起來很可能易如反掌。有量子計算機，就有量子密鑰。與傳統(tǒng)私鑰不同的是，量子密鑰的密碼本再也偷不走，因為這種密碼本是由微觀量子態(tài)表示的量子密碼。

根據(jù)量子物理的基本原理，微觀量子態(tài)不可分割、不可克隆，就比如盒子里那只既死又活的貓，你一旦打開盒子看，貓就要么死要么活，再也不是原先那種既死又活的狀態(tài)，這一性質(zhì)從原理上保證了量子密鑰的安全性。

以著名的BB84協(xié)議為例，信息的發(fā)送方發(fā)送一個個單光子給接收方，接收方收到光子后，逐個進行測量。對于微觀量子態(tài)來說，測量方式會影響測量結(jié)果，接收方只有用與發(fā)送方一致的測量方式，才能得到與發(fā)送方一致的結(jié)果。所以，接收方將接收每一個光子時的測量方法告訴發(fā)送方。發(fā)送方通過對比，保留下與自己測量方式相同的那些光子，告訴接收方，這就形成了量子密鑰。根據(jù)不可克隆原理，如果有人中途對光子進行攔截和測量，會改變光子的狀態(tài)，竊聽行為也就無法得逞。

因此，到目前為止，量子通信實際上指的就是量子密鑰分配技術(shù)，也就是傳送密鑰。對通信雙方來說，只要交換并確認共享了絕對安全、且隨時可以更換的密鑰，再用此密鑰對數(shù)據(jù)進行加密，那么即使在普通網(wǎng)絡(luò)上傳送也是安全的。

當(dāng)然，原理上的絕對安全不意味著實現(xiàn)起來完全沒有漏洞。實際使用中，光子源品質(zhì)好壞、探測器效率高低等等，都可能成為攻擊者的目標(biāo)。但這些都是技術(shù)層面上的問題，只要量子力學(xué)依然奏效，量子通信的絕對安全就值得期待。

星地量子通信與全球量子通信網(wǎng)絡(luò)

因為全球光纖網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，基于光纖技術(shù)的量子通道是最容易建立的。但人們發(fā)現(xiàn)，光纖的衰減效應(yīng)成為量子通信技術(shù)向遠距離發(fā)展難以逾越的門檻。

在現(xiàn)代通信中，光纖信號的衰減可以通過放大器件進行放大后傳輸，只要建立好中繼站（負責(zé)接收并轉(zhuǎn)發(fā)信號的電臺），光纖網(wǎng)絡(luò)便可以遍布全球。但到了量子通信，由于信息載體是單個的光子，量子的不可復(fù)制性也決定了單光子的信號是不可放大的，由于光纖固有的光子損耗，光量子傳輸很難遠距離拓展。

基于自由空間的量子通信技術(shù)則成為當(dāng)前實現(xiàn)全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的一個最優(yōu)選擇?？紤]到地球曲率、傳輸距離、大氣、天氣等影響，在地球表面，100公里級別自由空間的量子密鑰分發(fā)幾乎已經(jīng)是極限，于是，基于低軌衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的量子通信可謂實現(xiàn)目標(biāo)的最佳方案。

外太空的真空環(huán)境對光的傳輸來說是最好的媒介，幾乎不存在大氣引起的衰減和退相干效應(yīng)，利用衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)平臺，科學(xué)家們可以在地球上的任意兩點之間建立起量子信道，極大地擴展了光子的傳輸距離。

理論上，只要我們能夠?qū)崿F(xiàn)將光子傳出大氣層，配合星載平臺技術(shù)和光束精確定位技術(shù)，就有可能實現(xiàn)真正覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

世界首顆量子衛(wèi)星

由中國科學(xué)院院士潘建偉擔(dān)任首席科學(xué)家的中國首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，于2016年8月16日凌晨在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心由長征二號丁運載火箭發(fā)射至高度為500公里的預(yù)定軌道，衛(wèi)星有效載荷包括量子糾纏源、量子糾纏發(fā)射機、量子密鑰通信機和量子實驗控制與處理機，將共同完成糾纏光子的生成、發(fā)送、地面通信以及實驗控制。

同時，地面建設(shè)有四個量子通信地面站（南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站）和一個空間量子隱形傳態(tài)實驗站（阿里量子隱形傳態(tài)實驗平臺），在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子科學(xué)實驗衛(wèi)星控制中心的指揮和調(diào)度下，完成四項重要的科學(xué)實驗：星地高速量子密鑰分發(fā)實驗、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實驗、星地量子糾纏分發(fā)實驗、地星量子隱形傳態(tài)實驗。

另外，衛(wèi)星在軌還將首次進行洲際量子密鑰分發(fā)，衛(wèi)星產(chǎn)生成對糾纏態(tài)光子，并將它們中的一方發(fā)送至位于北京和維也納的地面站，進而生成密鑰，連接中國和歐洲的量子通信網(wǎng)。

但是，在太空進行這些實驗難度相當(dāng)大，地面站和在軌的衛(wèi)星進行通信，需要根據(jù)衛(wèi)星軌道和望遠鏡的天文指向，在地面站和衛(wèi)星之間建立一個鏈路，地面站跟瞄要達到相當(dāng)高的精度，才能建立捕獲并維持穩(wěn)定的鏈路對準(zhǔn)，完成量子通信。在衛(wèi)星高速飛行的同時，如何保證衛(wèi)星上的兩個激光器同時瞄準(zhǔn)相距遙遠的兩個地面站，并同時傳輸密鑰？這種衛(wèi)星與兩個地面站的高精度跟瞄在國際上也屬首次。此外，近衍射極限量子光發(fā)射、高保偏量子信號的偏振調(diào)制、高品質(zhì)的糾纏光子源等，都是這顆衛(wèi)星的技術(shù)法寶。因此，這顆衛(wèi)星帶上天的是科研團隊多學(xué)科、長時間在量子密鑰分發(fā)、多光子糾纏、量子隱形傳態(tài)等方面技術(shù)水平的集中體現(xiàn)。

“天地一體化”網(wǎng)絡(luò)初步建成

中國此次發(fā)射的量子衛(wèi)星主要任務(wù)是將地面上的量子糾纏實驗“搬到”外層空間，即通過連接地面上的量子通信網(wǎng)，完成星地量子保密通信、星地量子隱形傳態(tài)等實驗?？梢哉f，這顆量子衛(wèi)星肩負著科學(xué)和技術(shù)的雙重使命。

從科學(xué)的角度說，量子糾纏和量子隱形傳態(tài)，是量子力學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中最“詭異”的現(xiàn)象，連愛因斯坦也為此困擾，稱之為“鬼魅般的超距作用”。雖然量子通信體系速度無法突破光速，但兩個遙遠糾纏粒子之間的“非局域”關(guān)聯(lián)，仍不時試探著相對論的邊界。此次衛(wèi)星在軌，就是首次在大尺度的空間對量子理論進行相關(guān)檢驗，即驗證糾纏光子分開千公里的尺度后，是否依然保持糾纏特性，并在千公里的尺度上通過測量貝爾不等式，檢驗量子力學(xué)基本原理。

而從技術(shù)的角度，衛(wèi)星在軌的重要實驗?zāi)繕?biāo)就是完成星地量子保密通信。這是目前世界唯一的星地量子信道，下一步，通過衛(wèi)星將地面站、地面光纖網(wǎng)絡(luò)及其他地面終端連接，如果運行順利，天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)將初步成為現(xiàn)實，人們有望實現(xiàn)全球量子密鑰初步業(yè)務(wù)化運行。

完整的空地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)建，在國防、政務(wù)、金融和能源等領(lǐng)域?qū)⒙氏燃右詮V泛應(yīng)用，與經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)進行連接，形成具有國際引領(lǐng)地位的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和下一代國家信息安全生態(tài)系統(tǒng)。

值得一提的是，“墨子號”衛(wèi)星的此次洲際量子密鑰分發(fā)演示，也為國際同行開放了天地一體化實驗平臺。國內(nèi)外同行均可申請使用衛(wèi)星與自建地面站開展各種方案的星地量子密鑰分發(fā)和提取的關(guān)鍵技術(shù)研究。

展望“全量子時代”

若要通過星地量子廣域網(wǎng)的方式實現(xiàn)覆蓋全球的量子通信，一個可預(yù)見的方案是：地面的局域網(wǎng)可以利用量子中繼技術(shù)建立并實現(xiàn)傳輸和覆蓋，而在兩個區(qū)域之間利用衛(wèi)星實現(xiàn)自由空間光量子傳輸和衛(wèi)星平臺的中繼，從而實現(xiàn)兩個相隔遙遠的地面光纖網(wǎng)絡(luò)的相互聯(lián)通。

更進一步，未來若發(fā)射更多的量子通信衛(wèi)星，空間衛(wèi)星有望形成網(wǎng)絡(luò)，那時基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的全球化量子通信可能成為現(xiàn)實。通過衛(wèi)星組網(wǎng)，可以有效突破地影區(qū)限制，星載量子存儲、星間量子中繼、超遠距離量子糾纏分發(fā)都可以通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。

我們甚至可以大膽想象，有一天，互聯(lián)網(wǎng)將以量子計算機作為節(jié)點，通過量子信道進行連接，量子網(wǎng)絡(luò)中傳送的信息大部分不再是經(jīng)典的0或1，而是由高效率的量子計算配合高保密的量子通信，“量子互聯(lián)網(wǎng)”得以實現(xiàn)。

雖然距離這一天還有很長的路要走，但是當(dāng)那一天到來的時候，我們的下一代回望過去也許會感嘆，自全球首顆量子衛(wèi)星“墨子號”升空始，基于衛(wèi)星的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)建成后，全世界的通信格局得以深刻改變。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院