中國發射全球首顆量子衛星“墨子號”-中华商报

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中國發射全球首顆量子衛星“墨子號”

2016-08-25 00:34:20

来源：中华商报

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　　還記得這樣的場景嗎？電影中，主人公走入一扇“任意門”，瞬間就穿越來到另一個空間……在量子世界裏，這或許不是幻想。　　【本報綜合報道】8月16日淩晨1時40分，一枚火箭從中國的戈壁沙漠射向太空，成功將世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空。“墨子號”搭載的密鑰技術將使中國在防黑客通信技術領域遠遠領先於全球競爭對手。預計此次發射將把中國推進到科學界最具挑戰領域之一的最前沿。同中國預計9月中旬發

　　領導了量子通訊衛星研制工作的物理學家潘建偉認為中國有義務不僅僅是做其他國家做過的事，還要探索未知的事情。

　　“關於這顆衛星的命名，我們考慮了好久。”量子科學實驗衛星首席科學家潘建偉院士說，最終命名為墨子，緣起於已故著名教育家、中國科學技術大學老教授錢臨照。

　　據了解，錢臨照作為老一輩光學、科技史研究者，早年對墨家經典著作《墨經》有過深入研究，發現其中有不少與現代科學知識相通的記載，比如墨子在《墨經》中提出的“光學八條”。

　　“墨家邏輯是全球三大古老邏輯體系之一，而邏輯體系是科學的基礎。”潘建偉說，墨子在兩千多年前就發現了光線沿直線傳播，並設計了小孔成像實驗，奠定了光通信、量子通信的基礎。

　　中國將贏得國際競賽

　　身為量子物理學家的日內瓦大學教授Nicolas Gisin說，在研制量子衛星方面一直存在著一場國際競賽，中國很有可能將贏得這場比賽。他說，量子衛星的成功發射再次顯示，中國有能力實施雄心勃勃的大項目，並能實現預定目標。

　　美國、歐洲、日本以及世界其他地方的科學家們都在競相探索量子這一亞原子粒子，它不僅神奇，而且有可能蘊含著推動科技進步的巨大力量。但研究人員說，在獲得國家支持方面，從事這一領域研究的世界其他國家科學家很難有中國科學家這麼幸運。在今年3月公布的中國五年經濟規劃中，推動量子技術發展被列為了戰略重點。

　　中國政府沒有披露它為量子研究以及建造此次發射的這顆量子通訊衛星花費了多少錢。但中國2015年用於基礎科學研究的資金達到1010億美元，遠遠高於2005年時的19億美元。這些資金中有一部分就用於量子物理領域。

　　美國一批科學、防務、情報和其他領域官員今年7月為國會撰寫的一份報告稱，美國聯邦政府每年用於量子研究的經費約為2億美元。報告說，量子科學的發展將“提升美國的國家安全”。但報告同時指出，政府用於這方面的資金時多時少限制了美國在量子科學研究方面的進展。與此同時，中國政府則一直在努力吸引那些在中國出生並在海外接受過教育的量子物理學家回國工作。

　　在總部位於華盛頓的智庫新美國（New America）專門從事中國及網絡安全研究的研究員John Costello 說，中國投資量子科學研究的一部分動力有可能來自對美國網絡能力的恐懼。他指出，2013年披露的信息顯示，美國已經深深滲透進了中國的通訊網絡。他還指出，美國的科研機構正在研究如何建造運算能力強大的量子計算機。從理論上說，量子計算機能夠輕而易舉地破譯目前基於數學算法開發出來的密碼，目前全球在保密通訊領域使用的正是這種加密技術。Costello說，中國政府知道，他們正越來越容易受到電子間諜行為的威脅。

　　但Costello也指出，量子通訊是防禦性的，它無法從美國所稱的由中國政府支持的網絡黑客行動中獲益。

　　量子加密是任何運算能力強大的計算機都無法破譯的，因為由量子粒子傳遞的信息只要一被外界試圖截獲就會被摧毀。日內瓦密碼技術公司ID Quantique的聯合創始人Gregoir Ribordy將量子通訊比作發送一則寫在肥皂泡上的信息。他說，如果有人想在這則信息被傳輸時攔截它，只要一觸碰它，就會把“肥皂泡”捅破。

　　將在外空實驗2年

　　這顆中國自主研發的量子衛星突破多項工程級關鍵技術，衛星設計壽命為兩年。本次任務還搭載發射了中科院研制的稀薄大氣科學實驗衛星和西班牙科學實驗小衛星。量子衛星發射入軌後將進行3個月左右的在軌測試，然後轉入在軌運行階段。

　　據悉，量子衛星工程在2011年12月立項。除了衛星，亦在新疆南山、青海德令哈、北京興隆及雲南麗江等地興建4個量子通信地面站，以及在西藏阿裏建成量子隱形傳態實驗室，衛星在軌運行的時間裏，會和地面的5個臺站一起配合，做大量的科學實驗。其中北京興隆站、新疆南山站、青海德令哈站和雲南麗江站，是4個量子通信地面站，主要參與量子密鑰分發和量子糾纏分發這兩大項實驗。南山和德令哈的1.2米口徑望遠鏡和改造後的興隆、麗江米級望遠鏡是核心部分。位於西藏的阿裏站則主要配合衛星一起參與第三項量子科學實驗－－量子隱形傳態。

　　瞬間移動不在遙遠

　　量子是構成物質的基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可再分割。量子世界中有兩個基本原理：一個是量子疊加，就是指一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上，著名的“薛定諤的貓”理論曾經形象地將之表述為“一只貓可以同時既是活的又是死的”。一個是量子糾纏，類似孫悟空和它的分身，二者無論距離多遠都“心有靈犀”，當兩個微觀粒子處於糾纏態，不論分離多遠，對其中一個粒子的量子態做任何改變，另一個會立刻感受到，並做相應改變。

　　“量子態隱形傳輸”是基於量子疊加和量子糾纏的特性，就是甲地某一粒子的未知量子態，可以在乙地的另一粒子上還原出來。其實傳輸的是粒子的量子態，而不是粒子本身。這種狀態傳送的速度上限仍然是光速，也不是“瞬間移動”。

　　現在，在光子、原子等層面已經實現了量子態隱形傳輸。電影裏“大變活人”在原理上是允許的，但目前還遠遠做不到。因為科幻電影裏人的傳送，不僅需要把人的實體部分的大量原子、分子傳送，並且需要嚴格按照原來的相對位置重新排列起來，更何況重現意識和記憶就更複雜了。

　　不過，隨著科學的發展和技術的進步，也許未來我們還是可以實現人的量子隱形傳態，到那時星際旅行就不是夢啦。

　　“不可攔截”的密鑰

　　量子科學實驗衛星的另一個任務是進行量子通信實驗，這是量子糾纏應用領域中比較接近現實的一個。它的要點是特別安全，傳統竊聽手段原則上對量子通信沒有用。加密的信息好比上了鎖的箱子，用特定的鑰匙才能打開。以當前的加密技術，只要付出足夠的努力，鑰匙理論上是可以攔截到的，只看效率高不高罷了。

　　而量子糾纏則提供“不可攔截”的鑰匙。做法是並不刻意防止別人竊取鑰匙，而是一旦有人這麼幹，通信雙方必然能察覺。量子衛星制造兩個糾纏的光子，分別發給通信的雙方。雙方對各自接收到的光子進行隨機檢測，用明文通信對比檢測結果，看看兩個光子是不是糾纏的。如果有人中途攔截光子，其觀察行為會破壞糾纏狀態，讓鑰匙作廢——你偷唄，偷到就沒用了，我換把新鑰匙。

從理論到實踐尚有很多技術困難，但總的來說，量子通信還是比傳統通信要安全得多，可能會給加密技術帶來革命性的變化。近年來量子通信已經有一些小規模應用，中國發射這顆衛星是要率先搞個大動作，著手建設全球範圍的量子通信網。有外媒評論說，這是“將頂尖研究轉化為中國的全球力量戰略資產的一個裏程碑”。

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