“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星獨(dú)步全球

崔金泰

2016年8月16日，我國(guó)成功發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，展現(xiàn)了我國(guó)空間研究取得突破性進(jìn)展，標(biāo)志著中國(guó)將在世界上率先實(shí)踐衛(wèi)星與地面之間的量子通信。量子通信是目前人類(lèi)已知唯一無(wú)法破解的最安全的通信方式。

量子通信，安全“大衛(wèi)士”

說(shuō)起量子衛(wèi)星，就得先講講什么是量子。對(duì)一般人來(lái)說(shuō)，“量子”一詞似乎有點(diǎn)深?yuàn)W，難以理解。實(shí)際上，量子是組成物質(zhì)的基本單元，是能量不能再分割的最小單位。如，量子是光能量的最小單位，不存在“半個(gè)光子”。

量子通信的安全性，就是基于單個(gè)光子的不可分割性和量子態(tài)的不可復(fù)制性，從而保證了信息不被竊聽(tīng)和不可破解的安全性。

量子通信絕對(duì)安全，還因?yàn)榱孔佑袃蓚€(gè)基本特性，即量子的疊加和量子糾纏。量子疊加，是指一個(gè)量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。也就是說(shuō)，任何一個(gè)干擾包括光照都會(huì)使量子改變狀態(tài)，即它剛才還在隨機(jī)蹦跶，忽然就停止不動(dòng)了，變幻莫測(cè)。

著名的“薛定諤虐貓”理論就形象描述了這一現(xiàn)象：裝在盒子里的貓，在盒子沒(méi)打開(kāi)時(shí)，貓可以同時(shí)既是活的又是死的，只有打開(kāi)看才知道。這表明，量子狀態(tài)隨機(jī)變化，兩種狀態(tài)可疊加存在，這就是量子的疊加態(tài);量子糾纏，是指量子間具有像孫悟空和其分身那樣“心有靈犀”的功能，兩個(gè)量子無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，若對(duì)其中一個(gè)量子態(tài)做任何改變，另一個(gè)會(huì)立刻感受到，并做相應(yīng)的狀態(tài)改變，這就為遠(yuǎn)距離同步傳遞不被破解的信息提供了可能性。

歐洲、美國(guó)、日本等國(guó)的科學(xué)家很早就對(duì)量子通信進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)，但由于種種原因而成效甚微。我國(guó)研究量子通信雖然起步較晚，于2011年才啟動(dòng)量子衛(wèi)星研制計(jì)劃，然而在黨和國(guó)家極其重視和大力支持下，一舉獲得開(kāi)創(chuàng)性的突破，成功地發(fā)射了“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星，成為這一科技領(lǐng)域的領(lǐng)路者。

“墨子號(hào)”開(kāi)創(chuàng)安全通信新時(shí)代

“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星發(fā)射后，將實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)距離傳輸不可破解信息的方式，即衛(wèi)星升空后，其主要任務(wù)是建立一個(gè)量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，并在太空中首次進(jìn)行量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)，從而展現(xiàn)一種讓用戶免受最精明的竊聽(tīng)者傷害的安全網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)創(chuàng)安全通信的新時(shí)代。

潘建偉院士是研制“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的領(lǐng)軍人物。20世紀(jì)80年代初，法國(guó)科學(xué)家阿蘭·阿斯佩首次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了“量子糾纏”現(xiàn)象存在后，潘建偉于20世紀(jì)90年代赴量子力學(xué)創(chuàng)始人薛定諤的祖國(guó)奧地利留學(xué)，學(xué)習(xí)最先進(jìn)、最完整的量子科學(xué)知識(shí)，奠定了其在量子科學(xué)方面的基礎(chǔ)。潘建偉學(xué)成回國(guó)后，很快就投入到量子通信方面的研究實(shí)驗(yàn)。

2003年，潘建偉研究小組正式成立，主攻自由空間量子通信方面的研究。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)點(diǎn)制備出成對(duì)的糾纏光子，再利用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)加工的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡將容易發(fā)散的細(xì)小光束“增肥”后，向東西相距13千米的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)站發(fā)送。然后，實(shí)驗(yàn)站的接收端用同樣型號(hào)的望遠(yuǎn)鏡收集。實(shí)驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)，在如此遠(yuǎn)距離的傳送中，竟有許多糾纏光子“夫妻對(duì)”仍能保持相互糾纏狀態(tài)，其攜帶信息的數(shù)量和質(zhì)量完全能滿足基于衛(wèi)星的全球化量子通信的要求。

在國(guó)家的大力支持下，量子衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)精心研究實(shí)驗(yàn)，終于在2016年8月16日將我國(guó)研制的世界首顆量子衛(wèi)星成功發(fā)射。這次發(fā)射不僅使我國(guó)走到世界量子通信研究領(lǐng)域的最前沿，更重要的是，它使我們?cè)讷@得網(wǎng)絡(luò)安全“圣杯”（即令黑客無(wú)法滲透的數(shù)字通信系統(tǒng)）方面大大領(lǐng)先于全球競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)，起步

首顆量子衛(wèi)星上天，我國(guó)在國(guó)際上將率先實(shí)現(xiàn)高速星地量子通信，借助連接地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)成全球量子通信網(wǎng)絡(luò)。

據(jù)潘建偉院士透露，京滬干線大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程將于2016年下半年完工交付。該工程將構(gòu)建千公里級(jí)高可信、可擴(kuò)展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，并建成大尺度量子通信技術(shù)驗(yàn)證、應(yīng)用研究和應(yīng)用示范研究平臺(tái)。

參與量子衛(wèi)星研制的奧地利科學(xué)家/潘建偉導(dǎo)師蔡林格強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“量子衛(wèi)星有助于信息傳遞者和接收者遠(yuǎn)距離交換令信息無(wú)法破解的密鑰，而量子衛(wèi)星將首先同北京交換密鑰，今后還可在北京和維也納之間分發(fā)量子密鑰”，逐步構(gòu)筑成全球量子通信網(wǎng)絡(luò)。

值得慶賀的是，“墨子號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射后一直表現(xiàn)很好，所有參數(shù)都已達(dá)標(biāo)，有些甚至高于預(yù)期?！澳犹?hào)”衛(wèi)星發(fā)射升空一周時(shí)，中科院國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站觀測(cè)到罕見(jiàn)的紅、綠光束。人們形象地說(shuō)，“墨子號(hào)”實(shí)現(xiàn)了天地“握手”， 這一觀測(cè)顯示“墨子號(hào)”可以正常通信聯(lián)系了。

量子通信，許你美好未來(lái)

目前，量子通信這一“永不被破解”的信息安全傳輸方式，已在市場(chǎng)上得以產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，如工商銀行等多家銀行率先試用量子通信加密技術(shù)。工商銀行通過(guò)國(guó)盾的量子加密技術(shù)，將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)中心傳輸?shù)酵堑牧硪粋€(gè)機(jī)房?jī)?nèi)。這樣做是因?yàn)橥ㄟ^(guò)設(shè)備產(chǎn)生量子密鑰，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸是不會(huì)被竊取的，這對(duì)金融數(shù)據(jù)傳輸非常必要。

早在2008年10月，中國(guó)科技大學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)將合肥市內(nèi)的本校區(qū)、杏林苑、濱湖新區(qū)三個(gè)本不相干的點(diǎn)連接在一起。由于這三個(gè)點(diǎn)組成三節(jié)點(diǎn)可擴(kuò)展的量子通信網(wǎng)絡(luò)，因而實(shí)現(xiàn)了全球首個(gè)量子保密電話系統(tǒng)建設(shè)，開(kāi)創(chuàng)了量子通信網(wǎng)的先河。隨后，五節(jié)點(diǎn)，四十六節(jié)點(diǎn)，合肥、濟(jì)南城域網(wǎng)，“京滬”城際網(wǎng)……量子通信網(wǎng)在不斷擴(kuò)張。

如今量子通信衛(wèi)星發(fā)射成功后，量子通信網(wǎng)絡(luò)如虎添翼，就能真正升到“廣域”“洲際”傳播，為信息保密傳輸開(kāi)辟了“天地一體”的廣闊天地。預(yù)計(jì)今年12月貫通的量子通信京滬干線（總長(zhǎng)2000多千米）建成后，將主要用于軍事、金融、政務(wù)等領(lǐng)域的信息安全傳輸。此外，媒體、大型企業(yè)、金融機(jī)構(gòu)等都可以成為量子通信用戶。量子通信關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，初步形成構(gòu)建空地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系的能力，并在全天時(shí)量子通信上取得突破。

量子通信的應(yīng)用前景美好，但普及應(yīng)用是逐步進(jìn)行的，就像電話、手機(jī)的普及過(guò)程一樣。起初，量子通信會(huì)應(yīng)用于科學(xué)研究、國(guó)防、政務(wù)和金融等領(lǐng)域，之后才會(huì)在大眾中廣泛應(yīng)用。至于要讓每個(gè)人都能用上，估計(jì)需要10至15年。屆時(shí)，每個(gè)人的家里、手機(jī)上或許會(huì)有一個(gè)量子加密芯片，銀行轉(zhuǎn)款、電子賬戶等涉密操作將不用擔(dān)心被盜用或者遭到攻擊。

量子計(jì)算機(jī)，有望走入現(xiàn)實(shí)

更引人注目的是，隨著對(duì)量子科學(xué)的深入研究和量子衛(wèi)星的成功發(fā)射，進(jìn)一步促進(jìn)了量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。

在“墨子號(hào)”發(fā)射前不久，中國(guó)科技大學(xué)量子實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)出半導(dǎo)體量子芯片和量子存儲(chǔ)技術(shù)，取得了量子計(jì)算機(jī)研制的突破性進(jìn)展。量子芯片用于計(jì)算機(jī)的邏輯運(yùn)算和信息處理，被稱(chēng)為計(jì)算機(jī)的“大腦”;有了量子存儲(chǔ)裝置，科學(xué)家利用它能實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子信息傳輸。因此，該技術(shù)的突破特別振奮人心。

為什么要研制量子計(jì)算機(jī)？早在1981年，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼就提出了此觀點(diǎn)：如果用傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)模擬量子力學(xué)，那么微觀粒子的數(shù)量越多，計(jì)算量就越大，也就越不可能實(shí)現(xiàn)模擬。這種情況下要實(shí)現(xiàn)量子力學(xué)的模擬，就必須釆用和它的原理相同的方式。人們認(rèn)為他的說(shuō)法有道理，而且也得到事實(shí)的證明。于是，量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)便開(kāi)始結(jié)合，人們開(kāi)始研究量子計(jì)算機(jī)了。

量子計(jì)算機(jī)優(yōu)勢(shì)大，關(guān)鍵在于它一個(gè)量子位可同時(shí)處于0和1兩個(gè)狀態(tài)，這是由量子疊加特性決定的。與此形成對(duì)比的是，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)中的晶體管一次只能處于0或1的狀態(tài)。如此一來(lái)，如果要進(jìn)行海量運(yùn)算量子計(jì)算機(jī)更合適。

因?yàn)?，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)只能按時(shí)間順序來(lái)進(jìn)行運(yùn)算;而量子計(jì)算機(jī)能做到超并行運(yùn)算，即它的N個(gè)量子位可同時(shí)表示2的N次方個(gè)狀態(tài)，數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)。譬如，目前我國(guó)性能最強(qiáng)大的天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要100年才能處理的任務(wù)，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)只需0.01秒就能完成。

因而，量子計(jì)算機(jī)適用于龐大運(yùn)算量的項(xiàng)目，如太空探測(cè)、核爆模擬、密碼破解、氣候變化、藥物研究和模擬復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)等。量子計(jì)算機(jī)對(duì)解決精確的天氣預(yù)報(bào)和大城市交通擁堵等難題，也能大顯身手，迎接挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)研制已露出希望的曙光，出現(xiàn)這種具有高超速運(yùn)算能力的計(jì)算機(jī)已為時(shí)不遠(yuǎn)。目前，中國(guó)科技大學(xué)研制的量子芯片已達(dá)到容錯(cuò)計(jì)算的精度，但邏輯比特?cái)?shù)量?jī)H有3個(gè)，當(dāng)邏輯比特?cái)?shù)量超過(guò)30個(gè)時(shí)，量子計(jì)算的性能將超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)?？磥?lái)，量子計(jì)算機(jī)由科幻變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)已指日可待。

知識(shí)鏈接 “墨子號(hào)”小檔案

“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星外形呈立方體，高約1.7米，重640千克。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為上下兩層：上層是與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的量子衛(wèi)星的核心裝置;下層則為衛(wèi)星的常規(guī)裝置。這顆量子衛(wèi)星是我國(guó)空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)首批科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一，其主要科學(xué)目標(biāo)：一是進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，以期在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破;二是在空間尺度進(jìn)行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。