• 背景摘要
  • 量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式,是近二十年发展起来的新型交叉学科,是新的研究领域。
全球首颗量子通信卫星设计师如是说
来源:浙江新闻 - 屠晨昕 金妍     发布时间:2016-08-17

在数以万计的现场观众的注视下,崭新的海南文昌航天发射场将迎来它的第一声惊雷——中国新一代中型运载火箭长征七号即将首次发射升空。而这次发射,是为我国、也是全世界的第一颗量子通信实验卫星7月的发射打前站,确保发射系统的万无一失。

这颗量子通信科学实验卫星发射成功并正常运行,中国将在世界上首次实现不借助光纤、卫星和地面之间的自由空间量子通信,并结合地面已有的光纤量子通信网络,初步构建一个广域量子通信体系。

中国科协副主席、量子通信卫星工程首席科学家、浙江东阳人潘建伟,曾经把中国将量子通信率先实用化定义为“中国正从经典信息技术的跟随者,转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者”。

信息网络高度发达的信息时代,人们对现代通信的依赖程度逐步加深,但不断发生的如“棱镜门”等窃听事件,又让人们对毫无安全可言的现代通信十分头疼。斯诺登事件让全世界都意识到了,面对现代通信窃密技术,个人、企业乃至国家都可能会毫无隐私地“裸奔”。

而量子通信利用基于量子力学的基本原理,利用量子态“被观测即遭破坏”这一常人难以理解的神奇特性,在基本原理上实现了绝对不可能泄密的奇迹,让通信安全难题迎刃而解。可以预见,中国将在国防、金融、政务、商业等重要领域打造出一张坚不可摧的通信网络,牢牢掌握信息安全主动权。

据新华社报道,首颗量子科学实验卫星采用平台载荷一体化设计,重640公斤,轨道高度500公里。它搭载了量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验控制与处理机等有效载荷,可与地面上相距千公里量级的两处光学站同时建立量子光链路。

对于这颗神奇的量子通信实验卫星,你一定有一肚子的问号吧?为了帮你答疑解惑,浙江新闻客户端专访了量子卫星工程的主要参与单位——中国科学院微小卫星创新研究院(上海微小卫星工程中心)的一位设计专家(以下简称“专家”),这位不愿透露姓名的青年才俊直接参与了这颗卫星的设计制造工作。

浙江新闻客户端:请问量子通信的原理是什么?

专家:量子力学理论被认为是继牛顿经典力学和爱因斯坦相对论后,人类科学的颠覆性发现。量子通信,就是利用量子纠缠效应来传递信息。

什么是量子纠缠?通俗地说,就像心电感应。量子力学研究发现,宇宙中任何一个粒子都有“双胞胎”,二者即使隔开整个宇宙的距离,也仍然一直保持同步同时同样的变化。一对粒子同步同样变化的状态,就是量子纠缠态。处于量子纠缠的两个粒子,无论分离多远,它们之间都存在一种神秘的关联。

利用这一原理,人们可以制备出一对纠缠粒子,把它们放在不同的位置,当这边的粒子一动,另一端端的粒子立刻做出同样的变化。这就是理想的量子通信原理,从原理上看,它能够实现没有时间滞后、绝对实时的信息传递,这对于未来实现星际旅行的人类具有极为重大的意义。

不过,目前我国量子工程即将实用化的“量子通信”,仍然采用传统技术(光纤和激光)来传递信息,只是给信息加密的秘钥用量子原理来分配、传递秘钥。它的传播速度等同于光速,和传统的通信方式一样。

浙江新闻客户端:能否用通俗的方式,来解释一下量子通信卫星实现保密通讯的原理?

专家:这个还真不太好打比方,量子和宏观物体性质不一样。潘建伟院士曾打比方说,“古人在信封上用火漆封口,一旦信件被中途拆开,就会留下泄密的痕迹”。量子密钥在量子通信中的作用比火漆更彻底,因为一旦有人试图打开“信件”,量子密钥会让“信件”自毁,并让使用者知晓。

普通通信就像A写信给B,若中间有人拿到信,只要一台复印机就可以完整获得信件的内容,而量子通信信息是写在光子的状态上,根据“量子测不准”原理,对信息的测量或者读取必然会改变光子的状态。因此,一旦被人偷看,量子的状态自动发生变化,接受者也因此能察觉,而偷窥者也看不到原貌。而且,量子状态有个不可克隆定理,偷窥者不能通过读取制造同样状态的量子,所以无法伪造。

具体到量子通信卫星的原理,说起来也简单:从卫星上下发一连串单光子,地面光学实验站接到信号之后进行解码,如果成功,就相当于完成了通信。而如果在卫星的中继之下,地面上的两个实验站能够进行安全通信,那就可以组织通信网络了。

浙江新闻客户端:远距离量子通信的难点在哪里?

专家:最大的难题是光子会丢失。光子发射一段距离后就会衰减,若没有中间站“在路上帮它调整状态”,它就无法完成穿越。

因此,量子通信要解决的两个基本问题就是:让光子保持量子纠缠状态的距离变得更长、让光子传输的速度更快。中国科学技术大学潘建伟、包小辉等在国际上首次实现了百毫秒高性能量子存储器,存储寿命达0.22秒、读出效率达76%,为远距离量子中继系统的构建奠定了坚实基础。

另外一个难点是,理论上即使是量子计算机,也不可能破译量子秘钥,然而实际应用中,仍有许多因素可能导致秘钥泄露。尤其是中间基站,需要先接收,再发送,容易存在被截获的漏洞。如何保证中继环节不被截获,也是一大考验。

浙江新闻客户端:现有的量子通信手段有可能被干扰吗?为什么?

专家:虽然现有模式下的量子通信方式无法被窃听、不会泄密,却可以干扰,也可以阻断,就像电话线路一样可被切断,它的抗干扰能力和普通光纤网络一样,而比无线通信的抗干扰能力要强。

量子通信还是靠激光进行通信的,传输可通过自由空间或者光纤两种方式,卫星与地面之间的自由空间激光传输会受到气候条件干扰;而如果是在光纤管线里传输,当然可以被切断了。如何做到抗干扰和阻断,还需要科研人员的不懈努力。

浙江新闻客户端:我国目前实验中的量子通信,无法做到瞬时传递信息,那么在未来技术获得重大突破后,可能做到瞬间传递吗?

专家:在目前的理论框架内,信息还是不能超光速。量子通信的载体还是光,未来除非有颠覆相对论的理论,否则信息传递速度还是不能超光速。

浙江新闻客户端:我国在量子通信领域为何能够世界领先?世界各大国在这方面的发展情况如何?

专家:近年量子通信领域我国涌现了一批优秀科学家,其中一些为该领域世界领军级科学家,研究水平走在世界最前列。从近年情况看,我国在量子通信领域发展势头最好,在实际应用方向走在最前列,而欧洲其次,再后是美国。

目前在整个量子技术领域,欧洲主攻传输中的中转基站技术,美国主攻量子计算机的硬件,中国主攻长距离量子加密通信。

浙江新闻客户端:量子通信接下来有哪些应用?

专家:目前,国家发改委正在筹建“京沪干线”项目,也就是在北京和上海之间实现量子通信,预计今年下半年,大尺度光纤量子通信骨干网即将建成。这条“京沪干线”总长2000余公里,从北京出发,经过济南、合肥,到达上海。届时,一个天地一体化的量子通信网络的雏形就形成了。未来我国还将建设全球化的量子通信基础设施,预计2030年前后形成规模。

浙江新闻客户端:我们普通老百姓能否用上量子通信?您预计价格会怎样?

专家:量子通信成本并不高,普通老百姓完全有可能用上,未来如果基础设施完善后,价格可以做到和普通上网价格一样。在不久的将来,每个人在互联网上进行的转款、支付等消费行为,都能够享受到量子通信的安全保障。

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