揭秘全球首顆量子衛(wèi)星：邁向“絕對安全”的大門

量子科學(xué)實驗衛(wèi)星示意圖(中科院國家空間科學(xué)中心供圖)

 

中青在線酒泉8月16日電(中國青年報·中青在線記者 邱晨輝)

 

傳一封密信，只讓天知地知、你知我知，這很可能不再只是口頭上的一種承諾，因為量子信息科學(xué)的發(fā)展，將逐漸成為一種現(xiàn)實。

 

盡管信息安全還牽涉不少人為的因素，但在科學(xué)家看來，量子信息科學(xué)至少能夠在硬件上將“泄密”的可能性降到最低，甚至抵達(dá)一種“絕對安全”的地步。

 

正如量子科學(xué)實驗衛(wèi)星(以下稱量子衛(wèi)星)首席科學(xué)家、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉院士所說，斯諾登事件告訴我們，在傳輸線路中可以進(jìn)行光纜的無感竊聽，黑客的攻擊無所不在；而量子通訊，是目前人類唯一已知的無條件安全的通信方式，根據(jù)量子理論可從根本上解決通信安全的問題。

 

今天凌晨，我國成功發(fā)射的全球第一顆量子衛(wèi)星，就是科學(xué)家向信息“絕對安全”的目標(biāo)而邁出的重要一步，這意味著我國將在世界上率先實踐量子通信。中國青年報·中青在線記者在發(fā)射現(xiàn)場采訪相關(guān)專家對此進(jìn)行解讀。

 

(1)量子

 

——不可分割的最基本單元

 

這一切都要從“量子”二字說起。那么，何謂量子，它和原子、電子、中子這些客觀存在的粒子一樣，也是某一種物質(zhì)實體？

 

非也。

 

量子不是一種粒子，而是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可分割。所有人們所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。

 

那么，既然世界是由微觀粒子組成的，從某種意義上來說，世界本身也就是由量子組成的。以光為例，是由一個個“光量子”所組成的，一個光量子的能量就是光能量變化的最小單位。

 

可別小看這個最基本的單元，它有著一個可以挑戰(zhàn)人類傳統(tǒng)認(rèn)知的特性——量子疊加。

 

何謂量子疊加？潘建偉有一個相對通俗的解釋：經(jīng)典事件里可以用某個物體的兩個狀態(tài)代表0 或1，比如一只貓，或者是死，或者是活，但不能同時處于死和活的狀態(tài)中間。

 

但在量子世界，不僅有0和1的狀態(tài)，某些時候像原子、分子、光子可以同時處于0和1狀態(tài)相干的疊加。比如光子的偏振狀態(tài)，在真空中傳遞的時候，可以沿水平方向振動，可以沿豎直方向振動，也可以處于45°斜振動，這個現(xiàn)象正是水平和豎直偏振兩個狀態(tài)的相干疊加。

 

這種所謂的量子相干疊加是量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別——著名的“薛定諤貓”形象地描述了這個佯謬。在經(jīng)典世界里，貓要不然是活的，要不然是死的，然而一只量子的貓卻可以處在“死”和“活”的疊加狀態(tài)上。

 

潘建偉說，正因為有量子疊加狀態(tài)，才導(dǎo)致量子力學(xué)不確定原理，即如果事先不知道單個量子狀態(tài)，就不可能通過測量把狀態(tài)的信息完全讀取；不能讀取就不能復(fù)制。這是量子的兩個基本特性。在量子疊加原理基礎(chǔ)之上，衍生出了量子的另一個奇妙特性，叫做“量子糾纏”。

 

他打了一個比方：甲、乙兩人分處異地，兩人同時玩一個游戲——擲骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1/6 的概率隨機得到1 到6 結(jié)果的某一個；同時，乙在另一地擲骰子，盡管兩人每一次單邊結(jié)果都是隨機的，但每一次的結(jié)果卻是一模一樣的，就好像是雙胞胎心靈感應(yīng)一樣。

 

這就是“量子糾纏”。

 

若兩個量子粒子處在特殊的狀態(tài)中，不管其空間分離得多遠(yuǎn)，當(dāng)對其中一個粒子施行操作或測量，遠(yuǎn)處的另一個粒子狀態(tài)會瞬時地發(fā)生相應(yīng)的改變，愛因斯坦稱這個現(xiàn)象為“幽靈般的超距作用”。

 

這種量子糾纏的“分身術(shù)”，有一個最為直接的應(yīng)用，就是備受關(guān)注的量子保密通信。

 

(2)量子通信

 

——目前唯一已知的無條件安全通信

 

當(dāng)前，被認(rèn)為最安全的信息傳遞方式是光纖通訊。光纜能把所有的光能限制在光纖里，外面得不到能量，所以這個傳輸被認(rèn)為是安全的。但隨著科技發(fā)展，只需讓光纜泄露哪怕很少一部分能量，外人就能夠竊聽光纜傳遞的信號。

 

潘建偉說，這是因為經(jīng)典通信的信號只有0和1，發(fā)生竊聽時，這兩種信號不會被擾動。

 

比如說，當(dāng)兩人打電話時，他人可通過竊聽器從通信線路中的上千萬個電子中分出一些電子，使其進(jìn)入另一根線路，從而實現(xiàn)竊聽，而通話者無法察覺。“棱鏡門”等事件的曝光便是最好的例證。

 

量子通信則不會出現(xiàn)這個問題。潘建偉說，這是因為其密鑰具有不可復(fù)制性和絕對安全性。一旦有人竊取密鑰，整個通信信息就會“自毀”并告知使用者。

 

他舉了一個例子：甲、乙二人要進(jìn)行安全通信，甲發(fā)出的光子信息狀態(tài)有水平、豎直、45°等，假設(shè)有人竊聽——

 

第一種方法是將單光子分割成兩部分，讓其中一部分繼續(xù)傳送，而對另一部分進(jìn)行狀態(tài)測量獲取密鑰信息。但由于單光子不可分割，因此這是不可能的。

 

第二種可能的方法是竊聽者希望截取單光子后，測量其狀態(tài)，然后根據(jù)測量結(jié)果發(fā)送一個新光子給接收方。但由于竊聽者不能精確地對光子的狀態(tài)進(jìn)行測量，所以發(fā)送給接收方的光子的狀態(tài)與其原始狀態(tài)會存在偏差。這樣，發(fā)送方和接收方可以利用這個偏差來探測到竊聽者對光子的測量擾動，從而檢驗他們之間所建立的密鑰的安全性。

 

第三種可能的方法是竊聽者截取單光子后，通過復(fù)制單光子的狀態(tài)來竊取信息。但按照量子不可克隆原理，未知的量子態(tài)不可能被精確復(fù)制。

 

因此潘建偉認(rèn)為，根據(jù)量子力學(xué)原理，無論怎樣，竊聽都可以被發(fā)現(xiàn)。一旦被發(fā)現(xiàn)，原有密鑰立即作廢。甲就可以把沒有被竊聽的密鑰傳送過去，利用產(chǎn)生的密鑰進(jìn)行“一次一密”完全隨機的加密。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性可以實現(xiàn)安全量子密鑰分發(fā)，實現(xiàn)不可破譯的保密通信。

 

換句話說，無論破譯者掌握了多么先進(jìn)的竊聽技術(shù)、多強大的破譯能力，只要量子力學(xué)規(guī)律依然成立，由量子通信建立起的秘密就無法被破解。

 

這一套說法的問世，也重新點燃了建造“絕對安全”通信系統(tǒng)的希望。潘建偉說，通向“絕對安全通信”這個千百年來人類夢想大道的入口，在量子物理的指引下，又重新顯露在人們視野之中。

 

(3)量子科學(xué)實驗衛(wèi)星

 

——率先向“絕對安全”的通信發(fā)起實踐

 

如今，量子信息“不可估量的前景”，讓量子通信的實用化和產(chǎn)業(yè)化成為了包括歐盟、美國、日本和中國在內(nèi)的各個大國爭相追逐的目標(biāo)——

 

2008年，歐盟啟動量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究，并成立“基于量子密碼的安全通信”工程，目前，歐盟計劃啟動10億歐元的量子技術(shù)旗艦項目，旨在建立極具競爭力的歐洲量子產(chǎn)業(yè)。

 

美國同樣積極，其國防部支持的“高級研發(fā)活動”計劃將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長距離光纖網(wǎng)絡(luò)；NASA也計劃在其總部和噴氣推進(jìn)實驗室之間建立一個直線600公里、包含10個骨干節(jié)點的遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線，并計劃拓展到星地通信。

 

日本也提出了量子信息長期戰(zhàn)略。日本國立信息通信研究院計劃在2020年實現(xiàn)量子中繼，到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。

 

中國也在發(fā)力。2013年，中科院設(shè)立了量子衛(wèi)星戰(zhàn)略先導(dǎo)專項計劃，按照這一計劃，我國量子通信技術(shù)發(fā)展分三步：一是通過光纖實現(xiàn)城域網(wǎng)絡(luò)；二是通過量子中繼器實現(xiàn)城際網(wǎng)絡(luò)；三是通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(xiàn)可覆蓋全球的廣域網(wǎng)絡(luò)。

 

此次量子衛(wèi)星的發(fā)射，開啟了第三步。

 

中科院國家空間科學(xué)中心主任吳季說，量子衛(wèi)星需要在兩年的設(shè)計壽命中，完成星地高速量子密鑰分發(fā)實驗、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實驗、星地量子糾纏分發(fā)實驗和地星量子隱形傳態(tài)實驗等四大任務(wù)，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破，檢驗量子力學(xué)完備性。

 

——這些實驗將通過我國自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備完成，它能夠產(chǎn)生經(jīng)過編碼的、甚至是糾纏的光子并發(fā)射到地面上，與之對接的地面系統(tǒng)則負(fù)責(zé)“接收光子”，這種光子的發(fā)射與接收被稱為“針尖對麥芒”。

 

這并不容易。量子衛(wèi)星工程常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇打了個比方：如果把光量子看成一個個1元硬幣，星地實驗就相當(dāng)于要從在萬米高空飛行的飛機上，不斷把上億個硬幣發(fā)射到地面上一個不斷旋轉(zhuǎn)的儲蓄罐上，這不但要求硬幣瞄準(zhǔn)精度，擊中儲蓄罐，而且要使得硬幣能夠準(zhǔn)確地、源源不斷地射入儲蓄罐細(xì)長的投幣口。

 

“這就要求在飛行的過程中必須始終保證精確對準(zhǔn)，跟蹤要達(dá)到相當(dāng)高的精度，這也是國際上從來沒有人做過的。”王建宇說。

 

最終，中國科學(xué)家成功研制出量子衛(wèi)星，潘建偉說，這不僅是我國量子保密通信領(lǐng)域“殺手锏”技術(shù)研發(fā)的重大突破，實現(xiàn)了從跟隨創(chuàng)新到引領(lǐng)創(chuàng)新、從集成創(chuàng)新到原始創(chuàng)新的跨越，同時也是世界量子通信技術(shù)的重要創(chuàng)新，它有望使人類科技發(fā)展史上“最安全的通信手段”具備覆蓋全球的能力。

 

(4)天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)

 

——向覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)沖擊

 

那么，為何我國能先于歐美而發(fā)射量子衛(wèi)星？潘建偉說，當(dāng)大多數(shù)人仍致力于實驗室內(nèi)部的原理性演示時，他們的團(tuán)隊已經(jīng)開始思考如何能夠在太空中實現(xiàn)量子信息傳輸，并早在2003年就初步構(gòu)想了量子衛(wèi)星計劃——“在行動上，我們并不落后于其他國家”。

 

如今，衛(wèi)星成功發(fā)射。不少門外漢經(jīng)常有一種誤讀，即衛(wèi)星上了天，就意味著關(guān)于量子衛(wèi)星的事情到此結(jié)束了，但事實上，對科學(xué)家而言，衛(wèi)星上天后，量子通信之路才剛剛開始。

 

“這不僅是因為量子衛(wèi)星需要在未來兩年做各種天地之間的實驗，更是因為，要實現(xiàn)全球化量子通信，還需要長期的努力，特別是需要多顆衛(wèi)星的組網(wǎng)。”量子衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師兼衛(wèi)星系統(tǒng)副總師、中國科大微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室研究員彭承志說。

 

彭承志認(rèn)為，在首顆量子衛(wèi)星發(fā)射成功、衛(wèi)星組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)得以突破后，中國還將發(fā)射多顆衛(wèi)星，計劃到2020 年，實現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)，建成連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網(wǎng)；到2030 年左右建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

 

而根據(jù)潘建偉的設(shè)想，衛(wèi)星成功發(fā)射之后，同樣由他牽頭承擔(dān)的世界上第一條遠(yuǎn)距離量子通信保密干線“京滬干線”，也將于今年下半年開通。

 

屆時，一星一地，交相呼應(yīng)。

 

潘建偉說，這兩大工程的配合，有望實現(xiàn)高速星地量子通信、并連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建成我國天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形，并最終將目標(biāo)設(shè)定為建立一個覆蓋全國甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。

 

他還表示，隨著中國科技的迅猛發(fā)展，他相信量子通信將在不到10 年的時間里輻射千家萬戶。“期盼在我有生之年，能親眼目睹以量子計算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯(lián)網(wǎng)的誕生。”他說。