“墨子號”：夜空中最會保密的“星”

“墨子號”：夜空中最會保密的“星”

8月16日凌晨，伴隨著世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星在酒泉圓滿發(fā)射成功，中國人的“飛天”夢想再次綻放，從此，浩瀚星空里也多了一份屬于中國和世界的“量子”牽掛。

8月16日1時40分，備受矚目的以“墨子號”命名的全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星在酒泉成功發(fā)射升空。“墨子號”量子衛(wèi)星成為浩瀚夜空中最亮的“星”，開啟為期兩年的太空科學旅程。

星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網(wǎng)絡、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)等多項科學實驗任務是“墨子號”量子衛(wèi)星的主要任務。業(yè)內(nèi)人士指出，此次發(fā)射任務的圓滿成功，將使我國在世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構建天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。有媒體稱，在這場“特殊的太空競賽”中，中國“邁出了一大步”。

科學之路任重道遠，量子世界迷霧重重，“第一顆量子衛(wèi)星”的頭銜來之不易。從最初的研制到發(fā)射，量子衛(wèi)星承載了太多關注的目光與期許。那么，這顆舉世矚目的“新星”到底有多牛？技術實現(xiàn)難度又有多高？

信息安全的“終極武器”

量子科學對絕大多數(shù)人來說十分高冷。但當它與信息技術相連，就與我們每個人息息相關。當今社會，信息的海量傳播背后也充斥著信息泄露的風險。而量子科學則為信息安全提供了“終極武器”。

在物理王國里，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，一只貓可以處在“死”和“活”的疊加狀態(tài)上；所有物體都具有“波粒二象性”，既是粒子也是波；兩個處于“糾纏態(tài)”的粒子，即使相距遙遠也具有“心電感應”，一個發(fā)生變化，另一個會瞬時發(fā)生相應改變……

正是由于量子具有這些不同于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，由于量子的不可分割、不可克隆和測不準的特性，所以一旦存在竊聽就必然會被發(fā)送者察覺并規(guī)避。

“傳統(tǒng)的信息安全都依賴于復雜的算法，只要計算能力足夠強大，再復雜的保密算法都能被破解。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、永久性解決信息安全問題?！绷孔涌茖W實驗衛(wèi)星首席科學家潘建偉院士說。

潘建偉形象地比喻，量子通信的基本特征就是利用微光世界的最小單元，比如15瓦的燈泡，每秒都會發(fā)射一些能量，如果用放大鏡來看它是由小顆粒組成，大概每秒鐘可以釋放百億個小顆粒。如果在量子通信中將這種小顆粒用來做信號，就不能被分割成半個小顆粒，就像水分子一樣，不能分成1/2個水分子。

量子保密通信能從三個方面保障信息安全。第一，發(fā)送者和接收者之間的信息交互是安全的，不會被竊聽或盜取。第二，“主仆”身份能自動確認，只有“主人”才能使喚“仆人”，而其他人無法指揮“仆人”。第三，一旦發(fā)送者和接收者之間的傳遞口令被惡意篡改，使用者會立刻知曉，從而重新發(fā)送和接收指令。

“四種武器”挑戰(zhàn)四大實驗任務

8月17日，中科院遙感與數(shù)字地球研究所所屬中國遙感衛(wèi)星地面站密云站，在第二十三圈次成功跟蹤、接收到了量子衛(wèi)星“墨子號”的首軌數(shù)據(jù)。“墨子號”首軌任務時長約7分鐘，接收到的數(shù)據(jù)量約為202MB，經(jīng)驗證，衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

據(jù)悉，“墨子號”量子衛(wèi)星上搭載了自主研發(fā)的“四種武器”：量子密鑰通信機、量子糾纏發(fā)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(tǒng)，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個平臺——阿里量子隱形傳態(tài)實驗平臺。

這顆量子衛(wèi)星的壽命為兩年，將完成四大任務：星地高速量子密鑰分發(fā)實驗、廣域量子通信網(wǎng)絡實驗、星地量子糾纏分發(fā)實驗和地星量子隱形傳態(tài)實驗。

潘建偉介紹，實驗大致分為三類：第一類是進行衛(wèi)星和地面之間的量子密鑰分發(fā)，實現(xiàn)天地之間的安全通信；第二類相當于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(xiàn)衛(wèi)星和地面千公里量級的量子態(tài)隱形傳輸。

但要完成“作業(yè)”并不輕松。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(wèi)星的研制沒有任何經(jīng)驗可循，過程充滿了困難和挑戰(zhàn)。

天地一體化連通：從太空向地面存錢罐扔硬幣

在量子通信中，最大的難點在于如何實現(xiàn)天地一體化的量子聯(lián)通。這就好比在太空往地面的一個存錢罐里扔硬幣，需要準確地將硬幣投擲于儲蓄罐的狹小入口。如果出現(xiàn)一點偏差，信息的傳遞便會功虧一簣。

“量子的編碼就像計算機編碼0101一樣，有正負、垂直、水平等不同狀態(tài)，要把量子的偏振方向檢測出來，才能變成密碼。”量子科學實驗衛(wèi)星常務副總設計師、衛(wèi)星總指揮王建宇介紹，量子里面有兩組狀態(tài)，一組是正交的，一組是傾斜45度的，所以，一共有四個不同的偏正狀態(tài)。

不僅如此，地面上的“存錢罐”（接收裝置）和天空中的“投擲者”（量子衛(wèi)星）也不安分，它們都在不停地旋轉(zhuǎn)運動。

“這就是瞄準和檢測偏正的最大難度所在，我們要在雙方都處于運動狀態(tài)的情況下完成信息傳遞。”王建宇強調(diào)，稍微對不上都不行，如果這樣，地面上收到的就是誤碼。

據(jù)王建宇介紹，一旦誤碼率高于3.5%，信息傳輸就沒有意義?！?.5%是個底線，通常我們會把誤碼率控制在1%至2%之間?！?/p>

探測器靈敏度：在地球上看到月球的火柴光

如果說從太空向地面存錢罐扔硬幣已經(jīng)讓人咋舌，那接下來的技術則更讓人驚嘆。

量子衛(wèi)星采用的是單光子探測器，目的是實現(xiàn)對每一個光子的捕捉。這是一個什么概念？

“一個60瓦的燈泡每秒發(fā)射的光子數(shù)大約是1021，而一根火柴的最大光亮大約是3瓦至5瓦。”王建宇說，量子衛(wèi)星探測器靈敏度相當于在月球上點根火柴，我們在地球上用望遠鏡可以看到它的亮光。

如果考慮到火柴點燃后光的擴散效應，其觀測難度可想而知?！疤綔y器的靈敏度必須達到這種程度，才能捕獲來自太空中的一顆顆光子。否則，天上的量子衛(wèi)星就沒有存在的意義了?！蓖踅ㄓ钫f。

時間同步設置：一秒鐘給一億個光子排排隊

在太空中，量子衛(wèi)星每秒鐘大約向地面發(fā)射一億個光子，需要地面接收裝置對所有光子進行接收。然而，這個接收過程并非來者不拒，而是要講究先來后到。

“我們必須知道每個光子是第幾個發(fā)出來，信息傳遞要求發(fā)送端和接收端能對得上，要有一個完整的序列?！蓖踅ㄓ钫f。

將光子們一一對接的辦法就是時間同步?！拔覀儸F(xiàn)在的接收頻率能做到一個納秒，也就是在一秒鐘之內(nèi)，把一億個光子全都排列好?！蓖踅ㄓ罱榻B。

為何取名為“墨子”

對于很多人來說，量子科學非常神秘，而世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星命名為“墨子號”也讓很多人迷惑不解——墨子不是先秦諸子百家中墨家的創(chuàng)始人嗎，他跟量子有什么關系？

“墨子號”之得名，是為了紀念墨子在早期物理光學方面的成就，他最早提出過光線沿直線傳播的觀點，進行了小孔成像實驗?！瓣P于這顆衛(wèi)星的命名，我們考慮了好久?！迸私▊フf，最終命名為“墨子號”，緣起于已故著名教育家、中國科學技術大學教授錢臨照。

錢臨照作為老一輩光學、科技史研究者，早年對墨家經(jīng)典著作《墨經(jīng)》有過深入研究，他對《墨經(jīng)》的研究發(fā)現(xiàn)被英國學者李約瑟獲悉，后者對此驚嘆不已。錢臨照發(fā)現(xiàn)《墨經(jīng)》中有不少與現(xiàn)代科學知識相通的記載，比如墨子在《墨經(jīng)》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?！迸私▊フf，墨子在兩千多年前就發(fā)現(xiàn)了光線沿直線傳播，并設計了小孔成像實驗，奠定了光通信、量子通信的基礎。

墨子的貢獻還遠不止于此，用一代宗師、中國思想史研究專家楊向奎先生的話來說：“墨子在自然學上的成就，絕不低于古希臘的科學家和哲學家，甚至高于他們。他個人的成就就等于整個希臘。”

“就像國外有伽利略衛(wèi)星、開普勒望遠鏡一樣，以中國古代偉大科學先賢的名字來命名全球首顆量子衛(wèi)星，將提升我國的文化自信?！迸私▊フf。

“量子星群”引領量子互聯(lián)網(wǎng)時代

據(jù)專家介紹，量子衛(wèi)星發(fā)射后，天地一體化量子科學實驗系統(tǒng)將投入正式運行，而“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程預計今年下半年交付。

“大規(guī)模推廣量子通信應用后，將極大提高人們信息傳輸?shù)乃矫苄院桶踩?。”潘建偉說，建好“量子互聯(lián)網(wǎng)”后，人們不用再擔心任何信息泄露，從而避免惡意攻擊和欺詐行為。

信息安全從根本上需要解決的就是傳輸內(nèi)容不被別人知道、保證接收者是和發(fā)送者對話，以及信息不被篡改。潘建偉說，僅僅發(fā)射一顆衛(wèi)星是不夠的，只有形成星座才能建構起網(wǎng)絡，而且需要地面配置相應基礎設施，確保網(wǎng)絡聯(lián)接到千家萬戶。

“比如，將來可以在手機中植入量子加密芯片，用來接收并存儲密鑰?！迸私▊ッ枋隽艘环磥韴鼍埃藗冎恍枰獙⑹謾C和量子密鑰分發(fā)機連接，就能實現(xiàn)保密通信?！耙叩竭@一步，還需要對網(wǎng)絡基礎設施進行改造，制定通信標準等，有望10年至15年內(nèi)實現(xiàn)。”

得益于這種絕對安全性，量子通信不僅可以應用于百姓日常通信，也可用于水、電、煤氣等能源供給和民生網(wǎng)絡基礎設施的通信保障，還可應用于國防、金融、商業(yè)等領域，勢必對產(chǎn)業(yè)界和科技界產(chǎn)生巨大變革。（本刊綜合）※

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“墨子號”大事記

2009年12月，空間科學先導專項參加戰(zhàn)略性先導科技專項實施方案評議會，并在16個建議專項中名列前三名。

2011年12月23日，量子科學實驗衛(wèi)星工程啟動暨動員會在京召開，標志著量子科學實驗衛(wèi)星正式進入工程研制階段。

2014年12月30日，量子科學實驗衛(wèi)星通過初樣轉(zhuǎn)正樣階段評審，正式轉(zhuǎn)入正樣研制階段。

2015年12月6日，量子科學實驗衛(wèi)星系統(tǒng)與科學應用系統(tǒng)完成星地光學對接試驗，驗證了天地一體化實驗系統(tǒng)能滿足科學目標的指標要求。

2016年2月25日，量子科學實驗衛(wèi)星工程完成大系統(tǒng)聯(lián)試。

2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。