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“墨子”：通信安全的未来之星 全球首颗量子科学试验卫星“墨子号”带着科学家们探究星地量子通信的使命升空，它意味着，一个天地一体化的量子保密通信与科学试验体系起先形成。 北京时间8月16日凌晨1时40分，一道火光划过戈壁滩黑暗的夜空。长征二号丁运载火箭将世界首颗量子科学试验卫星“墨子号”送往太空。 在放射指挥中心，潘建伟激烈万分，作为量子科学试验卫星的首席科学家，这一刻，他等了13年。2003年提出量子卫星安排时，他只有30岁出头。他试验室的一位同事回忆，“潘建伟几乎单枪匹马地把这个项目推动下去，并使中国在量子领域有了立足之地。” “斯诺登事务告知我们，在传输线路中可以进行光缆的无感窃听，黑客的攻击无所不在;依据量子理论，该技术应能解决通信平安的问题。”潘建伟说。 全球首颗量子科学试验卫星带着科学家们探究星地量子通信的使命升空，它意味着，一个天地一体化的量子保密通信与科学试验体系起先形成。 “墨子号”雄伟安排 首次升空的量子科学试验卫星取名为“墨子”。 潘建伟很喜爱这个名字，觉得“很妥当”。“中国人的祖先里有许多特别宏大的科学家，墨子就是其中之一。他正是通过小孔成像试验，证明白光是沿着直线进行传播的，他的发觉奠定了光通信、量子通信的基础。”潘建伟说，卫星取名“墨子”，也是对中国传统文化的一份自信与敬意。 “这是首颗有量子实力的卫星，是朝向将来量子互联网发展的重要一步。”量子通信学的世界权威、维也纳高校教授蔡林格也来到了酒泉卫星放射中心。他是潘建伟的老师，当然，两人也是竞争对手。蔡林格说，“在量子卫星的太空竞赛中，中国确定是唱主角的。” 作为迄今唯一被严格证明为无条件平安的通信方式，量子不行分割、不行克隆的特点，能保证加密内容不被破译。这可以从根本上保障信息平安、爱护全人类的隐私，直至从根本上解决国防、金融等多领域面临的信息平安问题。蔡林格说，“量子科学试验卫星正在顺当地将量子通信提高到一个新的水平。” 20世纪90年头中期，蔡林格在奥地利建立了自己的量子试验室，并且须要一名学生来检验一些他的关于量子的试验猜想。刚刚从中国科技高校探讨生毕业的潘建伟是个不错的选择，他渴望“像蔡林格一样在中国建立起世界领先的量子试验室”。 这给蔡林格留下很深的印象，“我始终信任他会前程似锦，但没想到他尽然会获得如此令人难以置信的胜利，我想，这是任何人都无法预料的，我为他感到特别傲慢。” 技术验证只是潘建伟雄伟安排的一部分。他希望建设一个像北斗一样的量子星座，通过卫星组网，来有效突破“地影区”的限制，从而使星载量子存储、星间量子中继、超远距离量子纠缠分发，都可以通过卫星网络实现。当然，这不是件简单的事情，“我希望5年内可以解决卫星之间通信无障碍的技术，10年内能够形成星座群。届时，可以极大地变更中国在信息平安领域的被动局面。” 蔡林格会加入到潘建伟的事业中来。下一步，北京将和维也纳建立量子通信，中方科学家确定向全球开放载荷的相关数据，“那将是第一次全球规模的量子通信。”为此，蔡林格的一位探讨生，现在已经起先学习汉语。 魔性的“小妖精” 直到放射胜利的一刻，潘建伟和其团队全部人的心才放了下来。“我们以前做各种各样的卫星的时候，一般都有个参考。尽管人家不会把技术告知你，但是至少心理上是有个预期的，因为别人已经做成了。而这次，这个东西究竟行不行，我们刚起先做的时候心里真没底。”量子科学试验卫星工程常务副总师兼总指挥王建宇经手的卫星研制工作已经不计其数，但是，量子卫星对于全部参加者都是一个从未有过的巨大挑战。 潘建伟。 升天胜利的量子卫星的个头并不大，是个边长只有1.7米左右的立方体，体重640公斤。然而，就是这么一个“小家伙”，花费了潘建伟十多年的精力。 “假如能弄明白为什么会有量子纠缠，我马上死都情愿。”第一次接触到量子的概念，潘建伟便着了迷，它们仿佛是有着魔性的“小妖精”，“几乎无法使我分心去学其他东西。”就在前段时间，潘建伟还在一期电视节目中如此表示。 在人类科学史上，可能没有一个学科像量子力学这样，几乎动用了近代全部物理学家的才智，其本质仍在幽暗中闪耀，令人困惑，因而它被科学家称为“世纪幽灵”。 不同于原子、电子、中子等物质实体，量子只是一个能量的最小单位。换句话说，全部的微观粒子，包括原子、电子、光子等都是量子的一种表现形态。 科学家们发觉，这个被称为“小妖精”一样的东西具有一种奇妙的叠加特性。比如说，一只猫可以拥有两个状态，生或者死，但是不能同时处于生与死的中间状态。而在量子世界里，不仅具有死和活两种状态，而且可以同时处于两种状态的叠加。 科学家们早先将这种叠加效用运用到建设量子计算机中去。在量子计算中，每个比特可以处于0或1两种状态的叠加中，有并行运算的实力，一旦操纵的量子数目增多，它就会以指数增长的形式来提升运算速度。比如说，利用万亿次经典计算机分解300位的大数须要15万年，但利用万亿次量子计算机，只须要1秒！ 量子另外一个引人注目的特点，即量子纠缠也起先受到科学家的关注。这是一种奇妙的现象：假如两个相像的量子距离足够近，就会发生纠缠。即使把它们分开，无论多远，哪怕一个在月球，另一个在地球，这两颗量子的状态就似乎一对有心灵感应的双胞胎一样，变更其中一个量子的状态，另一个量子的状态就会瞬间变更。这种状态之间的关联不需经典物理学中的力场或电场，其关联速度也可认为超过光速，被称为“量子非定域性”。 19101年，潘建伟在蔡林格的试验室和同事们完成了一个重要的试验，在国际上首次实现光子的量子隐形传态，发觉未知量子态可以精确地完成从A地到B地的瞬间传输。这一成果发表在自然杂志上，被认为是量子信息试验领域的开端，同时被美国物理学会、欧洲物理学会和科学杂志评为年度十大进展。 这些奇妙特点，加上量子不行分割、不行克隆的属性，促使一个新兴的概念起先出现，即极度平安的量子通信。“假如我们带着一个保险箱去北京开会，而保险箱的钥匙落在合肥了，在合肥的同事可以通过量子隐形传态，将钥匙的每一个特征都精确传送到北京，而在此过程中他并不驾驭这把钥匙的任何信息。这在经典世界中是不行想象的。”潘建伟举例说。 科学家们乃至各国政府希望凭借进一步的发觉来实现通信平安的幻想。上世纪末，美国政府便将量子信息列为“保持国家竞争力”安排的重点支持课题;欧洲则早在上世纪90年头就意识到量子信息处理和通信技术的巨大潜力，认定其高风险性和长期应用前景，从欧盟第五研发框架安排起先，就持续对泛欧洲乃至全球的量子通信探讨赐予重点支持。 中国也不例外。2001年，潘建伟建立了国内第一个光量子操纵试验室。而此时，他就已经谋划好自己的科研路途图：通过量子通信探讨，从初步实现局域量子通信网络，到实现多横多纵的全球范围量子通信网络，以保证信息传输的肯定平安。 因为全球光纤网络的飞速发展，基于光纤技术的量子通道是最简单建立的。2004年，美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行了世界上第一个量子密码通信网络，网络传输距离约为10公里。 潘建伟科研路途图的第一步即是利用光纤在合肥建设城域间的量子信息通信试验示范网。有了这一平安保障，示范网用户传递的信息内容就会变得不行窃听、复制或破译。而且，他们研制的量子通信网络终端设备、微光探测核心器件、网控设备等产品也须要一个试验床。 合肥示范网有46个节点，网络覆盖合肥市主城区，用户涵盖省市政府机关单位、金融机构、探讨院所等。“我们须要一个具有稳定性和平安性的更大的平台来检测通信，同时积累量子通信网络的建设和运维阅历。”潘建伟团队的成员赵勇说。 8月16日1时40分，中国在酒泉卫星放射中心用长征二号丁运载火箭胜利将世界首颗量子科学试验卫星放射升空。此次放射任务的圆满胜利，标记着我国空间科学探讨又迈出重要一步。 小小的示范网只是潘建伟谋划的量子通信“京沪干线”的一部分。这项工程总长2000余公里，从北京动身，经过济南、合肥，到达上海，供应4城市间网状8Gbps加密应用数据传输业务。 潘建伟的小组成员曾经表示过，他们希望通过京沪干线来探究肯定的商业盈利模式，从而在覆盖全国的量子通信网络建成后，促进量子通信的产业化。2022年，英国自然杂志在报道该项目团队量子通信探讨成果的新闻特稿中不吝赞美之词：“这标记着中国在量子通信领域的崛起，从十年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅，将领先于欧洲和北美” 然而，由于光纤的固有损耗，在光纤中实现远距离量子通信面临着巨大的挑战。处于0或1叠加状态的量子信号采纳光纤传输，信号传输也许101公里就会被光纤汲取。即使存在超出目前技术水平的10G赫兹志向单光子源和101%探测效率的志向单光子探测器，在1010公里光纤中进行点对点量子通信，每300年只能传输一个比特。 在经典通信下，这种衰减可以通过放大器件进行放大后传输，只要建立好中继站，光纤网络便可以遍布全球。潘建伟等人也实行类似的方法对量子通信网络每隔一段距离设置一个信号中转站，“目前这个技术我们还在做，但是10年之内不会有太好用的价值。” 因此，要想实现覆盖全球的广域量子保密通信， 太空可能是一个很好的选择。2003年，潘建伟就提出了建设量子科学试验卫星的安排，并希望在太空上对量子力学的预料进行检验。“我们发觉，光子的信号在穿过整个大气层之后，只有20%左右的信号会被损失掉，80%的光都可以从天上干脆到达地面。从北京到上海之间传送密钥，根据目前的计算，做得比较好的话，做到每秒几兆的传输没有问题。这样就可以视频通话、打语音电话。” 蔡林格探讨组也始终在与欧洲空间局商讨建立以国际空间站为平台的星地量子通信安排。不过，欧洲空间局缓慢的决策机制使得这一安排一再顺延。 双重使命 刚刚放射胜利的量子试验卫星在两年的设计寿命中，承载着科学探讨和技术开发的双重使命。 从科学探讨的角度说，潘建伟希望通过“星地量子纠缠分发试验”和“地星量子隐形传态试验”等相关试验，在大尺度的空间对量子理论进行相关检验，即验证纠缠光子分开千公里的尺度后，是否依旧保持纠缠特性，并在千公里的尺度上通过测量贝尔不等式，检验量子力学基本原理。 从技术的角度来看，作为目前世界上唯一的星地量子信道，科学家将通过卫星将地面站、地面光纤网络及其他地面终端连接，假如运行顺当，天地一体化的量子通信网络将初步成为现实，人们有望实现全球量子密钥初步业务化运行。 量子科学试验卫星通信的最大难点在于如何实现天地一体化的量子联通。这好比站在万米高空的飞机上往一个扁口的存钱罐里扔硬币，而且，存钱罐也在不断地旋转运动，假如发生一点点偏差，信息的传递便会功亏一篑。“一旦误码率高于3.5%的底线，信息传输就没有意义了。” 此外，量子卫星采纳单光子探测器对每一个光子进行捕获。中国利用已有的四个天文台站接收卫星信号，以节约成本。从量子卫星到地面跨度为500公里，而地面站之间则相距1200公里，这也使得他们的试验接收站形成了国际上跨度最大的单个试验室。他们运用的望远镜极其灵敏，在这样的敏感度下，可以看到月球上点燃的一根火柴，或者看清木星、卫星上的车牌号。 在太空中，量子卫星每秒钟大约向地面放射一亿个光子，地面接收装置根据先来后到的依次对全部光子进行接收，要想保证精确率，他们必需知道每个光子放射的依次。为此，科学家们采纳时间同步的方法，将发送端和接收端对应起来。“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。”王建宇说。 诺贝尔物理学奖得主安东尼·莱格特认为，量子科学试验卫星的放射是特别好玩的一项试验。在卫星放射前，他就曾表示假如量子科学试验卫星上的试验能够获得胜利，“它确定会为最终的量子互联网打下坚实的基础。” 不过，对于量子互联网能否成为将来全球通信潮流，他认为，这取决于国际社会是否认为这种系统的收益大于成本。“我可以想象，最初它的成本将会非常昂扬。” 潘建伟则相对乐观，在他看来，量子通信的应用前景，就像电话的普及过程一样，将逐步进行，蔚为可观。他甚至给出了一个量子通信技术普及的时辰表：5年左右许多机要部门起先用，10年左右金融业、银行等大机构起先运用，15年的时间或许走进千家万户。“届时，每个人的家里、手机上或许都会有一个量子加密芯片，那么，银行转款、电子账户等涉密操作，都不用担忧被盗用或者攻击。” 第10页 共10页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页