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世界首颗量子卫星“墨子号”升空

  昨天凌晨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量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。这将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

  量子卫星首席科学家潘建伟院士介绍,量子通信的安全性基于量子物理基本原理,单光子的不可分割性和量子态的不可复制性保证了信息的不可窃听和不可破解,从原理上确保身份认证、传输加密以及数字签名等的无条件安全,可从根本上、永久性解决信息安全问题。

  潘建伟表示,我国自主研发的量子卫星突破了一系列关键技术,包括高精度跟瞄、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等。量子卫星的成功发射和在轨运行,将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位,实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升,有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破,对于推动我国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。

  “关于这颗卫星的命名,我们考虑了好久。”量子科学实验卫星首席科学家潘建伟院士说,最终命名为墨子,缘起于已故著名教育家、中国科学技术大学老教授钱临照。

  据了解,钱临照作为老一辈光学、科技史研究者,早年对墨家经典著作《墨经》有过深入研究,发现其中有不少与现代科学知识相通的记载,比如墨子在《墨经》中提出的“光学八条”。

  “墨家逻辑是全球三大古老逻辑体系之一,而逻辑体系是科学的基础。”潘建伟说,墨子在两千多年前就发现了光线沿直线传播,并设计了小孔成像实验,奠定了光通信、量子通信的基础。

  “就像国外有伽利略卫星、开普勒望远镜一样,以中国古代伟大科学先贤的名字来命名全球首颗量子卫星,将提升我国的文化自信。”他说。

  据了解,作为中科院空间科学战略性先导专项首批科学卫星之一,量子科学实验卫星将在国际首次开展星地高速量子密钥分发、空间尺度的量子隐形传态等多项实验。

  中国科学技术大学、杏林苑和滨湖新区……2008年10月,这三个合肥市内本不相干的点,因为一次实验连接在了一起。它们仨因为组成了三节点可扩展的量子通信网络,实现了全球首个量子保密电话系统建设,而被永久载入史册。

  随后,五节点,四十六节点,合肥、济南城域网,“京沪”城际网……量子通信网在不断扩展。将近十年后,随着量子卫星的发射成功,量子通信网络真正可能升至“广域”、“洲际”传播,为信息保密传输写上了“天地一体”的注脚。

  提起量子通信这一“永不被解密”的安全传输方式,很多人觉得晦涩,而记者采访了解到,这一技术已经在市场上得以产业应用。以中国科学技术大学潘建伟团队为技术依托的科大国盾量子技术股份有限公司,把量子通信带到了日常生活中,形成了以量子密码通信终端设备、网络交换/路由设备为核心的量子信息安全系统整体解决方案。

  目前,工商银行、北京农商行等多家银行率先试用了量子通信加密技术。作为首批用户之一,工商银行数据中心(北京)网络部总经理任长清曾在接受采访时介绍,现在工行试点的部门,就是通过国盾的量子加密技术,将数据从数据中心传输到同城的另一个机房内。“从理论上讲,通过设备产生量子密钥,再对数据进行加密传输,是不会被窃取的,这对金融数据传输是非常有必要的。”

  而将在今年年底贯通的量子京沪干线多公里,建成后,目标应用于军事、金融、政务等领域信息的安全传输。金融机构、媒体、大型企业,都可以成为量子通信的用户。

  在潘建伟看来,量子通信的应用前景,就像电话的普及过程一样,将逐步进行,蔚为可观。“一开始,量子通信可能会应用于国防、金融、政务、科学研究等,之后会在大众中广泛应用。”要让每个人都用上,乐观的线年。届时,每个人的家里、手机上或许都会有一个量子加密芯片,银行转款、电子账户等的涉密操作,都不用担心被盗用或者攻击。”

  而量子计算目前仍然处于基础研究的阶段,前进道路上还面临着巨大的挑战,不知道在二三十年的时间内能否实现初步应用。一旦取得进展,其意义将是极其重大的。

  量子科学和技术其实已经在方方面面影响着我们的日常生活。我们目前正在广为使用的计算机、手机、互联网、时间标准和导航,包括医院里的磁共振成像等,无一不得益于量子科学和技术。

  记者采访了量子卫星首席科学家潘建伟院士、中科院物理所研究员吕力、北京大学物理系教授刘雄军,带你一起走进神奇的量子世界。

  量子是构成物质的基本单元,是能量的最基本携带者,不可再分割。比如,光子是光能量的最小单元,不存在“半个光子”,同理,也不存在“半个氢原子”“半个水分子”等。量子世界中有两个基本原理:

  量子叠加,就是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。著名的“薛定谔的猫”理论曾经形象地表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。

  量子纠缠,类似孙悟空和他的分身,二者无论距离多远都“心有灵犀”。当两个微观粒子处于纠缠态,不论分离多远,对其中一个粒子的量子态做任何改变,另一个会立刻感受到,并做相应改变。

  这得先说说通信中信息是如何被窃取的。传统光通信是通过光的强弱变化传输信息。从中分出一丁点光并不影响其他光继续传输信息,测量这一丁点光原理上就能窃取信息。

  量子通信则完全不同!窃听者如果想拦截量子信号,并对其进行测量,将不可避免地破坏携带密钥信息的量子态。根据量子“测不准定理”,这种破坏必然会被信息发送者和接收者所发现。

  是否可以不破坏传输的量子态,只截取并复制,再继续发送?这已被“量子不可克隆定理”完全排除,于是也就保证了量子通信的绝对安全。

  “量子态隐形传输”是基于量子叠加和量子纠缠的特性,就是甲地某一粒子的未知量子态,可以在乙地的另一粒子上还原出来。其实传输的是粒子的量子态,而不是粒子本身。这种状态传送的速度上限仍然是光速,也不是“瞬间移动”。

  现在,在光子、原子等层面已经实现了量子态隐形传输。电影里“大变活人”在原理上是允许的,但目前还远远做不到。因为科幻电影里人的传送,不仅需要把人的实体部分的大量原子、分子传送,并且严格按照原来的相对位置重新排列起来,更何况重现意识和记忆就更复杂了。

  不过,随着科学的发展和技术的进步,也许未来我们还是可以实现人的量子态隐形传送,到那时星际旅行就不是梦啦。

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