“墨子號”與量子通信

賴迪輝

量子是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元，量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一。雖然直到現(xiàn)在，物理學(xué)家關(guān)于量子力學(xué)的一些假設(shè)還不能被充分地證明，仍有很多需要研究的地方，但是這并不影響人們利用它，量子通信就是基于量子理論的一種新技術(shù)。2016年8月16日，國際上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，為我國引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展、開展檢驗(yàn)量子物理基本問題前沿研究，奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

總體參數(shù)

總體質(zhì)量：640千克

運(yùn)行軌道：太陽同步軌道（約500千米）

設(shè)計(jì)在軌運(yùn)行壽命：兩年

發(fā)射工具：長征2D運(yùn)載火箭

配套設(shè)施：1個(gè)中心（合肥量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心）、4個(gè)量子通信地面站（分別位于河北興隆、新疆烏魯木齊、青海德令哈、云南麗江）、1個(gè)量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站（西藏阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺）

自主研發(fā)的“四種武器”：量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源、量子試驗(yàn)控制與處理機(jī)。

四大實(shí)驗(yàn)任務(wù)：星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)、地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。

主要科研任務(wù)：

通過量子衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面的量子密鑰分發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)廣域的量子保密通信;對量子力學(xué)本身的基本原理進(jìn)行檢驗(yàn);證明全球規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)想是可行的。

“薛定諤的貓”理論示意圖

絕對安全的量子通信

量子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可再分割。量子世界中有兩個(gè)基本原理：

1.量子疊加，就是指一個(gè)量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。著名的“薛定諤的貓”理論曾經(jīng)形象地將此原理表述為“一只貓可以既是活的又是死的”。

2.量子糾纏，類似孫悟空和他的分身，二者無論距離多遠(yuǎn)都“心有靈犀”。當(dāng)兩個(gè)微觀粒子處于糾纏態(tài)，不論它們相距多遠(yuǎn)，如果對其中一個(gè)粒子的量子態(tài)做任何改變，另一個(gè)就會(huì)立刻感受到，并做相應(yīng)改變。

傳統(tǒng)通信信號只有0和1，發(fā)生竊聽時(shí)，這兩種信號不會(huì)被擾動(dòng)。兩人打電話時(shí)，他人可通過竊聽器從通信線路中的成千上萬個(gè)電子中分出一些電子，使其進(jìn)入另一條線路，從而實(shí)現(xiàn)竊聽，而通話者無法察覺。量子通信則完全不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題，這是因?yàn)槠涿荑€具有不可復(fù)制性和絕對安全性。比如，甲乙兩人進(jìn)行量子通信，甲發(fā)出的量子信息狀態(tài)有水平、豎直和旋轉(zhuǎn) 45°等，假設(shè)有人竊聽，由于量子不可分割，首先竊聽者根本無法分割出“半個(gè)量子”;其次，由于單次測量測不準(zhǔn)、不可克隆的量子態(tài)特性，因此竊聽者無法復(fù)制信息;第三，一旦竊聽者截獲攜帶量子信息的粒子，乙就收不到信息，也就不存在竊聽。一旦發(fā)現(xiàn)竊聽，原有密鑰立即作廢。甲就可以把沒有被竊聽的密鑰傳送過去，利用產(chǎn)生的密鑰進(jìn)行一次一密、完全隨機(jī)的加密。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性可以實(shí)現(xiàn)安全量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)不可破譯的保密通信，也就達(dá)到了真正意義上的“心有靈犀一點(diǎn)通”！

量子通信系統(tǒng)的問世，重新點(diǎn)燃了建造“絕對安全”通信系統(tǒng)的希望。得益于這種“絕對安全”，通過量子通信，人們可以從根本上解決國防、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問題。因此，量子通信被視為保障未來信息社會(huì)通信安全的重要技術(shù)基礎(chǔ)，成為許多國家優(yōu)先發(fā)展的科技和產(chǎn)業(yè)高地。

國內(nèi)外的量子通信發(fā)展情況

20世紀(jì)90年代以來，隨著相關(guān)重大基礎(chǔ)科學(xué)問題的解決和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的迅猛發(fā)展，量子信息科技已進(jìn)入深化發(fā)展、快速突破的新階段。量子通信技術(shù)已經(jīng)處于系統(tǒng)集成、工程化和產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)階段，呈現(xiàn)出重大產(chǎn)業(yè)革命的先兆。各科技強(qiáng)國都在積極整合研究力量和資源，力爭在量子信息技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用方面占據(jù)先機(jī)。

歐盟在2008年發(fā)布了《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報(bào)告》，提出了歐洲量子通信的分階段發(fā)展目標(biāo)，包括實(shí)現(xiàn)地面量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子通信、空地一體的千千米級量子通信網(wǎng)絡(luò)等。日本防衛(wèi)省將量子通信列為未來的技術(shù)儲(chǔ)備。2010年，日本聯(lián)合歐洲多個(gè)研究組在東京建設(shè)了東京量子密碼網(wǎng)絡(luò)，集中展示最新成果，在 90千米的現(xiàn)場光纖上實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)和通信應(yīng)用。

美國DARPA和Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室于2009年分別建成了兩個(gè)多節(jié)點(diǎn)量子通信互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，與空軍合作進(jìn)行了基于飛機(jī)平臺的自由空間量子通信研究。2014年初，美國航空航天局（NASA）正式提出了在其總部與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）之間建立千千米量級量子通信干線的計(jì)劃。2016年，美國發(fā)布《推動(dòng)量子信息科學(xué)：國家挑戰(zhàn)與機(jī)遇》報(bào)告和《與基礎(chǔ)科學(xué)、量子信息科學(xué)和計(jì)算交匯的量子傳感器》報(bào)告，同年，NASA用城市光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了量子遠(yuǎn)距離傳輸。

加拿大、韓國、新加坡等國紛紛設(shè)立專項(xiàng)基金和研究中心，致力于量子通信研究：加拿大滑鐵盧大學(xué)量子計(jì)算研究所成功將量子信息從地面站傳輸?shù)揭苿?dòng)的飛機(jī)上;韓國計(jì)劃2020年建成國家量子通信網(wǎng)絡(luò);新加坡國立大學(xué)和英國思克萊德大學(xué)合作，利用5千克的衛(wèi)星開展量子實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國的量子信息研究成為具有國際優(yōu)勢的研究領(lǐng)域，形成了很強(qiáng)的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)儲(chǔ)備，培育了一批優(yōu)秀的研究團(tuán)隊(duì)，在量子通信、量子計(jì)算等研究方向上產(chǎn)生了一批具有重要國際影響的研究成果。

“十三五”期間，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“量子調(diào)控與量子信息”重點(diǎn)專項(xiàng)瞄準(zhǔn)我國未來信息技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的重大需求，特別對我國有優(yōu)勢和引領(lǐng)作用的量子通信領(lǐng)域加強(qiáng)了支持力度。

在量子通信領(lǐng)域，我國在國際上首次實(shí)現(xiàn)了安全距離超過百千米的光纖量子通信和首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，建成了首個(gè)規(guī)?；怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，首次將自由空間量子通信的距離突破到百千米量級。我國自主研制的量子通信裝備為60周年國慶閱兵、黨的“十八大”、紀(jì)念抗戰(zhàn)勝利70周年閱兵等國家重要活動(dòng)提供了信息安全保障。

2016年底，連接北京、上海的高可信、可擴(kuò)展、軍民融合的光纖量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”全線貫通，推動(dòng)了量子通信技術(shù)在國防、政務(wù)、金融等領(lǐng)域的應(yīng)用，并帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。“墨子號”量子衛(wèi)星與“京滬干線”相結(jié)合，初步構(gòu)建成我國天地一體的廣域量子通信基礎(chǔ)設(shè)施，全面服務(wù)于國家信息安全。

“墨子號”名字的由來

墨子是我國古代偉大的科學(xué)家，最早提出“光線沿直線傳播”的觀點(diǎn)，設(shè)計(jì)了小孔成像實(shí)驗(yàn)，奠定了光通信、量子通信的基礎(chǔ)。以他的名字命名我國的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，是為了紀(jì)念墨子的功績，同時(shí)也可以體現(xiàn)我們國家的文化自信。