「墨子號」開啟星際首航——全球第一顆量子衛星揭秘

2016-08-17 10:35

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世界首顆量子科學實驗衛星發射圓滿成功(新華社)

世界首顆量子科學實驗衛星發射圓滿成功(新華社)

16日淩晨,被命名為「墨子號」的中國首顆量子科學實驗衛星開啟星際之旅。它承載著率先探索星地量子通信可能性的使命,並將首次在空間尺度驗證量子理論的真實性。

在量子衛星首席科學家潘建偉院士看來,如果說地面量子通信構建了一張連接每個城市、每個資訊傳輸點的「網」,那麼量子科學實驗衛星就像一杆將這張網射向太空的「標槍」。當這張縱橫寰宇的量子通信「天地網」織就,海量資訊將在其中來去如影,並且「無條件」安全。

資訊安全的「終極武器」

量子科學,對絕大多數人來說十分高冷。但當它與資訊技術相連,就與我們每個人息息相關。當今社會,資訊的海量傳播背後也充斥著資訊洩露的風險。而量子科學則為資訊安全提供了「終極武器」。

在物理王國裡,量子理論是一個百歲的「幽靈」,愛因斯坦也曾被它的「詭異」所困擾。

在量子世界中,一個物體可以同時處在多個位置,一隻貓可以處在「死」和「活」的疊加狀態上;所有物體都具有「波粒二象性」,既是粒子也是波;兩個處於「糾纏態」的粒子,即使相距遙遠也具有「心電感應」,一個發生變化,另一個會暫態發生相應改變……

正是由於量子具有這些不同於宏觀物理世界的奇妙特性,才構成了量子通信安全的基石。在量子保密通信中,由於量子的不可分割、不可複製和測不準的特性,所以一旦存在竊聽就必然會被發送者察覺並規避。

「傳統的資訊安全都是依賴於複雜的演算法,只要計算能力足夠強大,再複雜的保密演算法都能夠被破解。量子通信能做到絕對安全,是由量子自身的特性所決定的,計算能力再強也破解不了,因此它是革命性的,可從根本上、永久性解決資訊安全問題。」潘建偉說。

量子通信系統的問世,點燃了建造「絕對安全」通信系統的希望。當前,量子通信的實用化和產業化已經成為各個大國爭相追逐的目標。

在量子通信的國際賽跑中,中國屬於後來者。經過多年的努力,中國已經躋身於國際一流的量子資訊研究行列,在城域量子通信技術方面也走在了世界前列,建設完成合肥、濟南等規模化量子通信城域網,「京滬幹線」大尺度光纖量子通信骨幹網也即將竣工。

然而,這只是開始。「在城市範圍內,通過光纖構建城域量子通信網路是最佳方案。但要實現遠距離甚至全球量子通信,僅依靠光纖量子通信技術是遠遠不夠的。」潘建偉說。

他解釋說,因為量子的資訊攜帶者光子在光纖裡傳播一百公里之後大約只有1‰的信號可以到達最後的接收站,所以光纖量子通信達到百公里量級就很難再突破。但光子穿透整個大氣層後卻可以保留80%左右,再利用衛星的中轉,就可以實現地面上相距數千公里甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信。

另外,誕生百年的量子理論的奇妙之處在實驗室裡被不斷重複檢驗,但卻從未在太空尺度驗證過。量子理論的各種奇異現象在太空中是否還存在?量子糾纏和隱形傳輸是否可以延伸到星地之間?這些都需要衛星去驗證。

2011年,中科院正式啟動全球首顆「量子科學實驗衛星」的研製,這既意味著中國科學家率先向星地量子通信發起挑戰,更意味著中國或將領先歐美獲得量子通信覆蓋全球的能力。

「四種武器」挑戰四大實驗任務

目前,國際上還沒有一個國家將量子科學實驗送入空間,量子衛星的研製沒有任何經驗可循,過程充滿了困難和挑戰。

科學家在量子衛星上搭載了自主研發的「四種武器」:量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源和量子試驗控制與處理機。

同時,在地面建設了科學應用系統,包括1個中心——合肥量子科學實驗中心;4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站;1個平台——阿裡量子隱形傳態實驗平台。

衛星與地面站共同構成天地一體化量子科學實驗系統,在兩年的設計壽命期間將進行四大實驗任務——星地高速量子密鑰分發實驗、廣域量子通信網路實驗、星地量子糾纏分發實驗、地星量子隱形傳態實驗。

潘建偉介紹,實驗大致分為三類:第一類是進行衛星和地面之間的量子密鑰分發,實現天地之間的安全通信,如果4個地面站任何兩兩之間都可以實現安全的通訊,即可實現組網;第二類相當於把量子實驗室搬到太空,在空間尺度檢驗量子理論;第三類是實現衛星和地面千公里量級的量子態隱形傳輸。

天地量子科學實驗非常複雜,對天地實驗設備的要求也異乎尋常的高。潘建偉坦言,衛星研製過程中,最困難的環節就是有效載荷,「攻克了許多技術難題才拿下」。

比如量子糾纏源,它只有機頂盒的大小,作用卻非常關鍵,它能夠產生糾纏光,這是量子衛星在空中做各種實驗的源頭。平時實驗室裡糾纏源的體積非常巨大,研究人員不僅把它做到了小型化,還通過一系列的創新讓它實現了滿足空間環境要求,在國際上是首次實現。

量子衛星對精準控制的要求也前所未有的高。量子衛星系統總師朱振才介紹,量子衛星飛行中,攜帶的兩個雷射器要分別瞄準兩個相距上千公里的地面站,向左向右同時傳輸量子密鑰,且衛星上的光軸和地面望遠鏡的光軸要始終精確對準,就好比衛星上的「針尖」對地面上的「麥芒」。

科研團隊進行了各種實驗,考驗超遠距離「移動瞄靶」能力,最終突破了星地光路對準等關鍵技術,通過平台和載荷兩級控制的方式,對準精度可以達到普通衛星的10倍。

「雷射器一站對一站有人做過,但一顆衛星對準兩個地面站國際上還從來沒有過。如果成功的話,在國際上也是首次實現這麼高精度的跟蹤和地面站配合。」中科院國家空間科學中心主任吳季說。

「量子星群」引領量子互聯網時代

此刻,量子衛星已在太空軌道上翱翔。而它最初的構想,始於十幾年前。

2001年,31歲的潘建偉從歐洲回國,在中科大組建了量子資訊實驗室。2003年,當大多數人仍致力於在實驗室內部的原理性演示時,潘建偉和同事們已經萌生了「天地一體化」量子通信網的初步構想,「量子科學實驗衛星」正是這個構想中的關鍵節點。

「工欲善其事,必先利其器」。圍繞這一遠景目標,潘建偉團隊開始了十餘年的技術積累。他帶領團隊在自由空間量子密鑰分發、量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗等方面不斷取得國際領先的突破性成果。

2005年,潘建偉團隊在世界上第一次實現13公里自由空間量子通信實驗,證實光子穿透大氣層後,其量子態能夠有效保持,從而驗證了星地量子通信的可行性。

隨後,他們又不斷創造「傳奇」:16公里自由空間量子隱形傳態、百公里級自由空間量子通信、星地量子通信的全方位地面驗證實驗……為星地量子通信打下了堅實基礎。

經過十多年的發展,中國在量子通信領域已成為名副其實的世界勁旅。而這十多年間,從構想、攻關、立項到突破,人類歷史上第一顆量子通信衛星終成現實。

潘建偉說,「墨子號」發射以後,如果效果達到預期,下一步還計畫發射「墨子二號」「墨子三號」。「單顆低軌衛星無法覆蓋全球,同時由於強烈的太陽光背景,目前的星地量子通信只能在夜間進行。要實現高效的全球化量子通信,還需要形成一個衛星網路。」

未來,一個由幾十顆量子衛星組成的「璀璨星群」,將與地面量子通信幹線「攜手」,支撐起「天地一體」的量子通信網。

到2030年左右,中國力爭率先建成全球化的廣域量子保密通信網路。在此基礎上,構建資訊充分安全的「量子互聯網」,形成完整的量子通信產業鏈和下一代國家主權資訊安全生態系統。

「安全的通信是屬於我們的,但是科學研究是面向全世界開放的。」潘建偉透露,第一個開放的專案是與奧地利科學院合作,實現北京和維也納之間的洲際量子保密通訊,之後將和更多國家合作開展量子資訊技術方面的研究。

繼量子衛星之後,潘建偉團隊還計畫開展空間站「量子調控與光傳輸研究」專案,研究星間量子通信技術等,同時進行量子密鑰組網應用等研究,為下一步衛星組網奠定技術基礎。

「隨著中國科技的迅猛發展,我相信量子通信將在10年左右時間輻射千家萬戶。期盼在我有生之年,能親眼目睹以量子計算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯網的誕生。」潘建偉說,「我相信中國科學家們做得到。」

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