2016十大科技新闻评选 | 之二十一:"墨子号"量子卫星到底有多牛?

第31期 墨子号,量子卫星,世界首发, 2016-12-19 11:38:13
来源:中国科技网
作者:张迪 编辑:张迪
【编者按】

2016年即将进入尾声,回首这一年,我们见证了太多震撼世界的全新科技成果。特别是8月份我国"墨子号"量子卫星的成功发射,更是在全球科技领域掀起一阵波澜。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"梦想再一次在这片古老的土地上绽放,从此,头顶的浩瀚的星空里也多了一份属于中国和世界的"量子"牵挂。

世界首颗量子科学实验卫星在酒泉圆满发射成功

8月16日1时40分,中国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星"墨子号"发射升空。这将使中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。

量子卫星2011年12月立项,是中科院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。其主要科学目标一是进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破;二是在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,在空间尺度验证量子力学理论。

据了解,在首颗量子通信卫星发射后,我国还将陆续发射多颗量子卫星,力争在2020年实现欧洲和亚洲之间的洲际量子保密通信,在2030年前后率先建成全球一体化的广域量子保密通信网络。

从500公里开外的太空上向地面的实验站发射光量子,这是史无前例、世界首次。首先要把卫星上的光轴和地面实验站的光轴对准,然后再把肉眼根本看不见的光量子从天下打下来。而这个对准精度比普通卫星的对准精度高出了十倍,堪称针尖对麦芒。

"墨子号"实现天地一体化的量子联通

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。这就好比在万米高空,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。"王建宇介绍说,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)也不安生,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。"量子科学实验卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇王建宇强调,稍微对不上一点点都不行,如果这样,地面上收到的就是误码了。一旦误码率高于3.5%,信息传输就没有意义了。"3.5%是个底线,通常我们会把误码率控制在1%~2%之间。"

全球争夺量子信息技术制高点

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。外媒称中国在自然科学研究领域已经赶上甚至超越西方。

报道指出,在获得国家支持方面,从事这一领域研究的世界其他国家科学家很难有中国科学家这么幸运。在今年3月公布的中国五年经济规划中,推动量子技术发展被列为了战略重点。

身为量子物理学家的日内瓦大学教授尼古拉斯o基新说,在研制量子卫星方面一直存在着国际竞赛,中国在这场竞争中的胜算很大。他说,量子卫星的成功发射再次显示,中国拥有设立大型项目并成功完成的实力。维也纳大学的AntonZeilinge表示,此次发射的这颗量子卫星会将中国以及量子力学领域推进到一个重大技术突破的边缘。他说,长远来看,量子通讯很有可能取代我们目前使用的通讯技术。

除了中国在紧锣密鼓地部署量子通信,寻求国际领先地位外,美国、欧洲、日本以及世界其他国家和地区也在积极推进量子信息科学的研究。今年3月,欧盟委员会发布《量子宣言(草案)》,计划于2018年启动10亿欧元的量子技术项目。其中在量子通信方面,规划5年内突破量子中继器核心技术,实现点对点安全量子通信。10年内实现远距离量子网络、量子信用卡应用等,目标融合量子通信与经典通信,"保卫欧洲互联网安全。"

量子信息技术-影响全球科技发展的革命性技术

"墨子号"的成功发射在建立量子通信网络方面有巨大的价值,它的任务是星地高速量子密钥分发实验,进行广域量子密匙实验,以发展量子通信技术,构建广域乃至全球范围内绝对安全的量子通信网络体系。百余年来,量子力学的许多理论不断得到实验结果支持,催生了原子弹、激光、核磁共振、全球卫星定位系统等重大发明,改变了整个世界,这个过程就是"第一次量子革命"。爱因斯坦曾经质疑量子力学理论的完备性,其中一个内容就是量子纠缠态,即在多粒子量子系统中,一对具有量子纠缠态的粒子,即使相隔极远,当其中一个状态改变时,另一个状态也会即刻发生相应改变。在量子通信技术应用里面来看这一特性,那就是量子通信将会拥有很高的保密性以及不可窃听性。这对金融、军事、政治等领域都将产生不可估量的价值。也被认为是开启了"第二次量子革命"。

量子力学的发展是科学到技术前进的一大步。美国麻省理工学院物理学教授VladanVuletic的一段话能够很好的阐释:"我并不指望卫星实验能够教给我们任何我们尚不了解的量子力学和有关量子奇特性质的知识。然而,量子科学实验卫星项目却有着非常重大的意义,它将会把科学转变为技术:如果实验成功,它将有可能建立比经典物理学更强有力的地面系统与空间系统链接。然后,这种链接可以在实际上用于安全的信息交流。因此,爱因斯坦用来反对量子物理学的比喻,最终成了一种交流工具,这将是一个非常激动人心的进展。

关于"量子",量子卫星只是第一步,一小步,这将打开量子力学飞跃发展的开端。我国国务院印发的《十三五国家科技创新规划》已经把部署量子通信和量子计算列为国家重点科技项目。而纵观世界,也已经有很多国家把"量子"作为一项重要研究对象。集结了世界各国的关注,想必在不久的将来,"量子"这一科学理论将会被应用到社会的诸多方面。量子具有许多不同于宏观物理世界的奇妙特性,若能掌握这些特性,则有望实现对信息处理能力革命性的突破。因此,量子信息被认为是全球下一代通信和计算机技术的基础性和战略性研究。