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“墨子号”:夜空中最会保密的“星”
“墨子号”:夜空中最会保密的“星”
发布时间:2023-03-22 00:54:45 来源:
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“墨子号”:夜空中最会保密的“星”
作者:暂无
来源:《发明与创新·大科技》
2016
年第
10
期
8
月
16
日凌晨,伴随着世界首颗量子科学实验卫星在酒泉圆满发射成功,中国人的“飞天”
梦想再次绽放,从此,浩瀚星空里也多了一份属于中国和世界的“量子”牵挂。
8
月
16
日
1
时
40
分,备受瞩目的以“墨子号”命名的全球首颗量子科学实验卫星在酒泉
成功发射升空。“墨子号”量子卫星成为浩瀚夜空中最亮的“星”,开启为期两年的太空科学
旅程。
星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等
多项科学实验任务是“墨子号”量子卫星的主要任务。业内人士指出,此次发射任务的圆满成
功,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。有媒体称,在这场“特殊的太空竞赛”中,中国“迈出了一大步”。
科学之路任重道远,量子世界迷雾重重,“第一颗量子卫星”的头衔来之不易。从最初的
研制到发射,量子卫星承载了太多关注的目光与期许。那么,这颗举世瞩目的“新星”到底有
多牛?技术实现难度又有多高?
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”。
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,所以一旦存在窃听就必
然会被发送者察觉并规避。
“传统的信息安全都依赖于复杂的算法,只要计算能力足够强大,再复杂的保密算法都能
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。”量子科学实验卫星首席科学家
潘建伟院士说。
潘建伟形象地比喻,量子通信的基本特征就是利用微光世界的最小单元,比如
15
瓦的灯泡,
每秒都会发射一些能量,如果用放大镜来看它是由小颗粒组成,大概每秒钟可以释放百亿个小
颗粒。如果在量子通信中将这种小颗粒用来做信号,就不能被分割成半个小颗粒,就像水分子
一样,不能分成
1/2
个水分子。
量子保密通信能从三个方面保障信息安全。第一,发送者和接收者之间的信息交互是安全
的,不会被窃听或盗取。第二,“主仆”身份能自动确认,只有“主人”才能使唤“仆人”,
而其他人无法指挥“仆人”。第三,一旦发送者和接收者之间的传递口令被恶意篡改,使用者
会立刻知晓,从而重新发送和接收指令。
8
月
17
日,中科院遥感与数字地球研究所所属中国遥感卫星地面站密云站,在第二十三圈
次成功跟踪、接收到了量子卫星“墨子号”的首轨数据。“墨子号”首轨任务时长约
7
分钟,
接收到的数据量约为
202MB
,经验证,卫星数据质量良好。
据悉,“墨子号”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。
这颗量子卫星的寿命为两年,将完成四大任务: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和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;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。
但要完成“作业”并不轻松。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。
在量子通信中,最大的难点在于如何实现天地一体化的量子联通。这就好比在太空往地面
的一个存钱罐里扔硬币,需要准确地将硬币投掷于储蓄罐的狭小入口。如果出现一点偏差,信
息的传递便会功亏一篑。
“量子的编码就像计算机编码
0101
一样,有正负、垂直、水平等不同状态,要把量子的偏
振方向检测出来,才能变成密码。”量子科学实验卫星常务副总设计师、卫星总指挥王建宇介
绍,量子里面有两组状态,一组是正交的,一组是倾斜
45
度的,所以,一共有四个不同的偏正
状态。
不仅如此,地面上的“存钱罐”(接收装置)和天空中的“投掷者”(量子卫星)也不安
分,它们都在不停地旋转运动。
“这就是瞄准和检测偏正的最大难度所在,我们要在双方都处于运动状态的情况下完成信
息传递。”王建宇强调,稍微对不上都不行,如果这样,地面上收到的就是误码。
据王建宇介绍,一旦误码率高于
3.5%
,信息传输就没有意义。“3.5%是个底线,通常我们
会把误码率控制在
1%
至
2%
之间。”
如果说从太空向地面存钱罐扔硬币已经让人咋舌,那接下来的技术则更让人惊叹。
量子卫星采用的是单光子探测器,目的是实现对每一个光子的捕捉。这是一个什么概念?
“一个
60
瓦的灯泡每秒发射的光子数大约是
1021
,而一根火柴的最大光亮大约是
3
瓦至
5
瓦。”王建宇说,量子卫星探测器灵敏度相当于在月球上点根火柴,我们在地球上用望远镜可
以看到它的亮光。
如果考虑到火柴点燃后光的扩散效应,其观测难度可想而知。“探测器的灵敏度必须达到
这种程度,才能捕获来自太空中的一颗颗光子。否则,天上的量子卫星就没有存在的意义了。”
王建宇说。
在太空中,量子卫星每秒钟大约向地面发射一亿个光子,需要地面接收装置对所有光子进
行接收。然而,这个接收过程并非来者不拒,而是要讲究先来后到。
“我们必须知道每个光子是第几个发出来,信息传递要求发送端和接收端能对得上,要有
一个完整的序列。”王建宇说。
将光子们一一对接的办法就是时间同步。“我们现在的接收频率能做到一个纳秒,也就是
在一秒钟之内,把一亿个光子全都排列好。”王建宇介绍。
对于很多人来说,量子科学非常神秘,而世界首颗量子科学实验卫星命名为“墨子号”也
让很多人迷惑不解——墨子不是先秦诸子百家中墨家的创始人吗,他跟量子有什么关系?
“墨子号”之得名,是为了纪念墨子在早期物理光学方面的成就,他最早提出过光线沿直
线传播的观点,进行了小孔成像实验。“关于这颗卫星的命名,我们考虑了好久。”潘建伟说,
最终命名为“墨子号”,缘起于已故著名教育家、中国科学技术大学教授钱临照。
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,他
对《墨经》的研究发现被英国学者李约瑟获悉,后者对此惊叹不已。钱临照发现《墨经》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。
墨子的贡献还远不止于此,用一代宗师、中国思想史研究专家杨向奎先生的话来说:“墨
子在自然学上的成就,绝不低于古希腊的科学家和哲学家,甚至高于他们。他个人的成就就等
于整个希腊。”
“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。”潘建伟说。
据专家介绍,量子卫星发射后,天地一体化量子科学实验系统将投入正式运行,而“京沪
干线”大尺度光纤量子通信骨干网工程预计今年下半年交付。
“大规模推广量子通信应用后,将极大提高人们信息传输的私密性和安全性。”潘建伟说,
建好“量子互联网”后,人们不用再担心任何信息泄露,从而避免恶意攻击和欺诈行为。
信息安全从根本上需要解决的就是传输内容不被别人知道、保证接收者是和发送者对话,
以及信息不被篡改。潘建伟说,仅仅发射一颗卫星是不够的,只有形成星座才能建构起网络,
而且需要地面配置相应基础设施,确保网络联接到千家万户。
“比如,将来可以在手机中植入量子加密芯片,用来接收并存储密钥。”潘建伟描述了一
幅未来场景,人们只需要将手机和量子密钥分发机连接,就能实现保密通信。“要走到这一步,
还需要对网络基础设施进行改造,制定通信标准等,有望
10
年至
15
年内实现。”
得益于这种绝对安全性,量子通信不仅可以应用于百姓日常通信,也可用于水、电、煤气
等能源供给和民生网络基础设施的通信保障,还可应用于国防、金融、商业等领域,势必对产
业界和科技界产生巨大变革。(本刊综合)
本文来源:
https://www.2haoxitong.net/k/doc/c0a4dfc8f311f18583d049649b6648d7c0c7084c.html
《“墨子号”:夜空中最会保密的“星”.doc》
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