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1、墨子星际首航 探索物理幽灵上图：在酒泉卫星发射中心，“墨子号”太阳帆板展开试验准备（2016年7月30日摄）。底图：中国成功发射全球首颗量子科学实验卫星4个有效载荷：量子密钥通信机量子纠缠发射机量子纠缠源量子实验控制与处理机意义：在世界上首次实现卫星和地面间的量子通信，天地一体化量子科学实验系统正式运行。卫星质量：640kg倾角：97.37在轨设计寿命：2年量 子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”等等。量子通信利用光子等量子的状态叠加和纠缠等基本物理原理实现的信息传输。量子通信
2、的特点是：超大信息容量、超高通信速率、超远距离传输。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。16日凌晨，被命名为“墨子号”的中国首颗量子科学实验卫星开启星际之旅。它承载着率先探索星地量子通信可能性的使命，并将首次在空间尺度验证量子理论的真实性。为什么研发量子卫星？信息安全的终极武器在量子卫星首席科学家潘建伟院士看来，如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的“网”，那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。当这张纵横寰宇的量子通信“天地
3、网”织就，海量信息将在其中来去如影，并且“无条件”安全。量子科学，对绝大多数人来说十分高冷。但当它与信息技术相连，就与我们每个人息息相关。当今社会，信息的海量传播背后也充斥着信息泄露的风险。而量子科学则为信息安全提供了“终极武器”。量子通信系统的问世，点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。当前，量子通信的实用化和产业化已经成为各个大国争相追逐的目标。诞生百年的量子理论的奇妙之处在实验室里被不断重复检验，但却从未在太空尺度验证过。量子理论的各种奇异现象在太空中是否还存在？量子纠缠和隐形传输是否可以延伸到星地之间？这些都需要卫星去验证。2011年，中科院正式启动全球首颗“量子科学实验卫星”的研制，
4、这既意味着中国科学家率先向星地量子通信发起挑战，更意味着中国或将领先欧美获得量子通信覆盖全球的能力。量子通信凭什么绝对安全？一旦窃听必然会被察觉在物理王国里，量子理论是一个百岁的“幽灵”，爱因斯坦也曾被它的“诡异”所困扰。在量子世界中，一个物体可以同时处在多个位置，一只猫可以处在“死”和“活”的叠加状态上；所有物体都具有“波粒二象性”，既是粒子也是波；两个处于“纠缠态”的粒子，即使相距遥远也具有“心电感应”，一个发生变化，另一个会瞬时发生相应改变正是由于量子具有这些不同于宏观物理世界的奇妙特性，才构成了量子通信安全的基石。在量子保密通信中，由于量子的不可分割、不可克隆和测不准的特性，所以一旦存
5、在窃听就必然会被发送者察觉并规避。“传统的信息安全都是依赖于复杂的算法，只要计算能力足够强大，再复杂的保密算法都能够被破解。量子通信能做到绝对安全，是由量子自身的特性所决定的，计算能力再强也破解不了，因此它是革命性的，可从根本上、永久性解决信息安全问题。”潘建伟说。国际科学界怎么看？纷纷点赞 期待合作中国16日成功发射全球首颗量子科学实验卫星后，多名外国科学家对于这个项目接纳奥地利科学家参加表示赞赏，希望以此进一步带动国际合作。美国波士顿大学的量子物理学家亚历山大谢尔吉延科说：“这个事确实很让人激动，因为它是首次开展此类试验，因此对全球都有重要意义。”“科学是无边界的，中国和奥地利科学家合作的
6、这个量子卫星项目正是让人兴奋的明证，”英国剑桥大学量子物理学教授阿德里安肯特对记者说。俄罗斯量子中心的“量子通信研究团队”负责人库罗奇金说：“在未来量子计算机时代，只有量子通信能够保证信息安全。”他认为，量子通信研究目前有几个发展方向，一是查找构建量子通信网所面临的技术薄弱环节；二是针对可能出现的攻击量子通信的手段，提前制订某些防范方案；三是为构建量子通信系统，各方应达成哪些必要协议。量子卫星构想如何实现？十余年努力不断创造传奇此刻，量子卫星已在太空轨道上翱翔。而它最初的构想，始于十几年前。2001年，31岁的潘建伟从欧洲回国，在中科大组建了量子信息实验室。2003年，当大多数人仍致力于在实验
7、室内部的原理性演示时，潘建伟和同事们已经萌生了“天地一体化”量子通信网的初步构想，“量子科学实验卫星”正是这个构想中的关键节点。“工欲善其事，必先利其器”。围绕这一远景目标，潘建伟团队开始了十余年的技术积累。他带领团队在自由空间量子密钥分发、量子纠缠分发和量子隐形传态实验等方面不断取得国际领先的突破性成果。2005年，潘建伟团队在世界上第一次实现13公里自由空间量子通信实验，证实光子穿透大气层后，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。随后，他们又不断创造“传奇”：16公里自由空间量子隐形传态、百公里级自由空间量子通信、星地量子通信的全方位地面验证实验为星地量子通信打下了坚实基础
8、。经过十多年的发展，中国在量子通信领域已成为名副其实的世界劲旅。而这十多年间，从构想、攻关、立项到突破，人类历史上第一颗量子通信卫星终成现实。上天做什么?4种武器挑战4大实验任务目前，国际上还没有一个国家将量子科学实验送入空间，量子卫星的研制没有任何经验可循，过程充满了困难和挑战。科学家在量子卫星上搭载了自主研发的“四种武器”：量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子试验控制与处理机。同时，在地面建设了科学应用系统，包括1个中心合肥量子科学实验中心；4个站南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站；1个平台阿里量子隐形传态实验平台。卫星与地面站共同构成天地一体化量子科学实验系统，在两年的设
9、计寿命期间将进行四大实验任务星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验、地星量子隐形传态实验。潘建伟介绍，实验大致分为三类：第一类是进行卫星和地面之间的量子密钥分发，实现天地之间的安全通信，如果4个地面站任何两两之间都可以实现安全的通讯，即可实现组网；第二类相当于把量子实验室搬到太空，在空间尺度检验量子理论；第三类是实现卫星和地面千公里量级的量子态隐形传输。实验有多难？天上针尖要对准地上麦芒天地量子科学实验非常复杂，对天地实验设备的要求也异乎寻常的高。潘建伟坦言，卫星研制过程中，最困难的环节就是有效载荷，“攻克了许多技术难题才拿下”。比如量子纠缠源，它只有机顶盒的大小
10、，作用却非常关键，它能够产生纠缠光，这是量子卫星在空中做各种实验的源头。平时实验室里纠缠源的体积非常巨大，研究人员不仅把它做到了小型化，还通过一系列的创新让它实现了满足空间环境要求，在国际上是首次实现。量子卫星对精准控制的要求也前所未有的高。量子卫星系统总师朱振才介绍，量子卫星飞行中，携带的两个激光器要分别瞄准两个相距上千公里的地面站，向左向右同时传输量子密钥，且卫星上的光轴和地面望远镜的光轴要始终精确对准，就好比卫星上的“针尖”对地面上的“麦芒”。科研团队进行了各种实验，考验超远距离“移动瞄靶”能力，最终突破了星地光路对准等关键技术，通过平台和载荷两级控制的方式，对准精度可以达到普通卫星的1
11、0倍。“激光器一站对一站有人做过，但一颗卫星对准两个地面站国际上还从来没有过。如果成功的话，在国际上也是首次实现这么高精度的跟踪和地面站配合。”中科院国家空间科学中心主任吴季说。下一步怎么走？璀璨星群引领 量子互联网时代潘建伟说，“墨子号”发射以后，如果效果达到预期，下一步还计划发射“墨子二号”“墨子三号”。“单颗低轨卫星无法覆盖全球，同时由于强烈的太阳光背景，目前的星地量子通信只能在夜间进行。要实现高效的全球化量子通信，还需要形成一个卫星网络。”未来，一个由几十颗量子卫星组成的“璀璨星群”，将与地面量子通信干线“携手”，支撑起“天地一体”的量子通信网。到2030年左右，中国力争率先建成全球化
12、的广域量子保密通信网络。在此基础上，构建信息充分安全的“量子互联网”，形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统。将如何改变百姓生活？不用担心 电子账户被盗用在潘建伟看来，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。”基于个人判断，他给出了一个量子通信技术普及的“时间表”：5年左右很多机要部门开始用，10年左右金融业、银行等大机构开始使用，15年的时间或许走进千家万户。“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。”他并表示，这需要一个过程，依赖于量子通信网络的建设，应用成本也会逐渐下降。