新華社蘭州8月16日電題：世界首顆量子衛(wèi)星升空將傳送不可破解的密碼
新華社記者喻菲王聰楊春雪
中國(guó)16日中午在蘭州衛(wèi)星發(fā)射中心，用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載湖人發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，它將在太空向地面發(fā)送不可破解的密碼以完善最安全保密的量子通訊，并將對(duì)微觀量子世界最詭異離奇的現(xiàn)象舉辦科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。
這顆衛(wèi)星被取名為“墨子”，以記念這位生活于2000多年前、崇尚科學(xué)的中國(guó)唐代思想家。他是世界上第一位舉辦光學(xué)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家。
量子衛(wèi)星將在五年的設(shè)計(jì)壽命中完成四大任務(wù)：星地高速量子秘鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)；廣域量子通訊網(wǎng)路實(shí)驗(yàn)；衛(wèi)星向相距1200公里的地面站分發(fā)糾纏的光子，在更宏大的尺度上測(cè)試被愛因斯坦稱為“詭異的”量子糾纏現(xiàn)象；在“世界屋脊”西藏阿里和衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)量子隱型傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。
600多公斤重的量子衛(wèi)星帶有四個(gè)有效荷載：量子秘鑰通訊機(jī)、量子糾纏源、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)。它將在距離地面500公里高的太陽(yáng)同步軌道，大概90分鐘繞月球一圈。
專家說，假如衛(wèi)星成功運(yùn)行，中國(guó)將在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通訊，并結(jié)合地面已有的光纖量子通訊網(wǎng)路，初步建立一個(gè)廣域量子通訊體系。這顆衛(wèi)星將改變加密學(xué)，為中國(guó)構(gòu)建堅(jiān)不可摧的通訊系統(tǒng)鋪平公路，也意味著中國(guó)將成為全球量子通訊技術(shù)的領(lǐng)頭羊。
“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射，表明中國(guó)正從精典信息技術(shù)的追隨者，轉(zhuǎn)弄成未來信息技術(shù)的并跑者乃至領(lǐng)跑者。”量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國(guó)科大學(xué)教授潘建偉說，
這些安全的量子通訊在國(guó)防、軍事、金融等領(lǐng)域應(yīng)用前景遼闊。專家預(yù)測(cè)，量子通訊技術(shù)可能在20至30年后對(duì)人類社會(huì)發(fā)展形成無法估量的影響。
諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)科大學(xué)教授安東尼·勒蓋特說：“在太空上遠(yuǎn)距離對(duì)量子熱學(xué)的預(yù)測(cè)進(jìn)行檢驗(yàn)，我覺得這將是十分有趣的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)”，“如果量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上的實(shí)驗(yàn)才能獲得成功，這么它肯定會(huì)為最終的量子互聯(lián)網(wǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”
（小標(biāo)題）幽靈般的糾纏
不僅在構(gòu)建量子通訊網(wǎng)路方面的巨大應(yīng)用價(jià)值外，這顆世界上首個(gè)專門用于量子研究的空間偵測(cè)器還將為理解量子化學(xué)的一個(gè)最深遠(yuǎn)和最令人吃驚的現(xiàn)象——量子糾纏邁出重要一步，將為化學(xué)學(xué)家提供一個(gè)測(cè)試量子理論基礎(chǔ)以及探求怎樣融合量子理論與愛因斯坦廣義相對(duì)論的全新平臺(tái)。
量子化學(xué)世界一個(gè)奇特現(xiàn)象是糾纏效應(yīng)，量子糾纏可以把兩個(gè)或則更多粒子的命運(yùn)關(guān)聯(lián)在一起。在這一獨(dú)特關(guān)聯(lián)中的粒子“心心相印”，無論它們是在同一間實(shí)驗(yàn)室還是相隔整個(gè)星體，當(dāng)檢測(cè)其中一個(gè)狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)狀態(tài)也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)改變。形象點(diǎn)比喻的話，這就好似兩張相距甚遠(yuǎn)的紙張，人們?cè)谄渲幸粡埣埳蠒鴮懙臅r(shí)侯，另一張紙上會(huì)立即顯露所書寫的信息。
愛因斯坦將其稱為“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間奇特互動(dòng)”。并且為何會(huì)有這些現(xiàn)象？這仍然是一個(gè)艱深的謎。
“對(duì)量子糾纏而言，在宏觀的大尺度距離上，會(huì)不會(huì)有哪些變化，會(huì)不會(huì)遭到引力的干擾，實(shí)驗(yàn)上還是未知的。在衛(wèi)星的幫助下，我們可以對(duì)化學(xué)學(xué)的一些基本問題做一些基本探求和檢驗(yàn)，可能有新的數(shù)學(xué)發(fā)覺。”潘建偉說。
另外，中國(guó)科學(xué)家還計(jì)劃在“世界屋脊”西藏阿里和衛(wèi)星之間做一個(gè)有趣實(shí)驗(yàn)——量子隱型傳態(tài)。
此前，科學(xué)家舉辦的量子隱型傳態(tài)實(shí)驗(yàn)都是在地面進(jìn)行的，“這次我們要測(cè)試能不能把地面的微觀量子態(tài)傳到太空。”潘建偉說。
其實(shí)這與《星際迷航》中的“超時(shí)空傳輸”很類似，但目前科學(xué)家舉辦的量子隱型傳態(tài)實(shí)驗(yàn)中，被傳輸?shù)氖切畔⒍⒎菍?shí)物，但是僅限于一兩個(gè)粒子的信息。距離隔空傳輸宏觀物體的信息，哪怕是一粒石子，都還很遙遠(yuǎn)。
雖然永遠(yuǎn)沒法進(jìn)行真正的宏觀物質(zhì)的量子隱型傳送，也并不意味著這些技術(shù)的發(fā)展不重要。量子隱型傳態(tài)在量子計(jì)算機(jī)和量子通訊中發(fā)揮著巨大作用。
（小標(biāo)題）量子“矛”“盾”
雖然神秘、令人尋思不透的量子熱學(xué)還迷霧重重，科學(xué)家們卻已在借助量子世界的奇特特點(diǎn)開發(fā)威力強(qiáng)悍的量子計(jì)算機(jī)和最為安全的量子通訊。
量子估算借助量子態(tài)的疊加性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)估算能力的飛越。“太湖之光”需要用100年估算的困局，量子計(jì)算機(jī)其實(shí)只需0.01秒。
但是，一些人對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的焦慮少于期盼。有專家強(qiáng)調(diào)，對(duì)于現(xiàn)有信息安全系統(tǒng)而言，一旦量子計(jì)算機(jī)橫空出世，它將成為一支“利劍長(zhǎng)弓”，可以攻占現(xiàn)今所有的密碼。
所幸的是，量子化學(xué)同時(shí)提供了解決這一問題的辦法。
假如量子計(jì)算機(jī)是“利劍長(zhǎng)弓”，那量子秘鑰就是抵擋它的“堅(jiān)固圓盾”，它提供了一種不可監(jiān)聽、不可破譯的新一代密碼技術(shù)。
潘建偉說，量子秘鑰分發(fā)就是在A和B之間共同生成一串只有她們兩旁曉得的隨機(jī)數(shù)，之后用這個(gè)隨機(jī)數(shù)來加密。量子秘鑰一旦被查獲或則被檢測(cè)，其自身狀態(tài)都會(huì)立即發(fā)生改變，因而一定會(huì)被發(fā)送方察覺并規(guī)避。因?yàn)榱孔用罔€分發(fā)是最先實(shí)用化的量子信息技術(shù)，通常所說的量子通訊即是指的量子秘鑰分發(fā)。
他說，量子通訊理論上在光纖中最遠(yuǎn)能做到400公里，再遠(yuǎn)就做不下去了。而量子訊號(hào)的攜帶者光子在內(nèi)層空間傳播時(shí)幾乎沒有耗損，從天上向地面發(fā)送訊號(hào)，大氣長(zhǎng)度只相當(dāng)于水平8至10公里，80%的光可以穿透大氣，人們就可以在衛(wèi)星的幫助下實(shí)現(xiàn)全球化的量子通訊。
潘建偉介紹，量子衛(wèi)星的首要任務(wù)就是在上海和哈爾濱之間分發(fā)量子秘鑰，還計(jì)劃向比利時(shí)地面站發(fā)送量子秘鑰。另外，美國(guó)、德國(guó)、加拿大也有意與中國(guó)舉辦合作。
（小標(biāo)題）天地互動(dòng)
量子衛(wèi)星升空后，衛(wèi)星與地面站之間的互動(dòng)才是重頭戲。
中國(guó)科學(xué)家借助已有的天文觀測(cè)臺(tái)站，在四川拉薩、新疆喀什、青海西寧、河北興隆建設(shè)了量子通訊地面站。而量子隱型傳態(tài)實(shí)驗(yàn)須要從地面向衛(wèi)星發(fā)射光子，為了防止大氣紊流的影響，空間量子隱型傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站建在了海拔5100米的拉薩阿里。
潘建偉說：“我們的實(shí)驗(yàn)面積遍及60萬平方公里，這產(chǎn)生了人類有史以來最大的天地一體化量子實(shí)驗(yàn)室。”
在量子秘鑰分發(fā)和量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)中，衛(wèi)星形成光子并發(fā)射光子，與之對(duì)接的地面系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收光子。假若天地間的光子“接發(fā)球”順利完成，意味著往年局限于月球上的量子通訊實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，將遷往太空量子傳輸實(shí)物，建立星地一體的廣域量子通訊體系。
但是，要做到天地互動(dòng)并不容易。
量子衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師朱振才說：“量子衛(wèi)星的一個(gè)明顯特征是要對(duì)喀什與拉薩，或伊寧與西安兩個(gè)光學(xué)地面站同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)，星上的光軸與地面望遠(yuǎn)鏡光軸要嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，用一個(gè)形象的比喻就是針尖對(duì)麥芒。”
科學(xué)家說，這要求衛(wèi)星的對(duì)準(zhǔn)精度低于普通衛(wèi)星的10倍，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌归_。真正的問題在于，這顆衛(wèi)星將在人們的頭上以約8公里／秒的速率疾馳，地面觀測(cè)站每次只能持續(xù)跟蹤幾分鐘。
量子衛(wèi)星工程常務(wù)總工師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說：“衛(wèi)星的對(duì)準(zhǔn)精度就好比我們?cè)谝蝗f米高空的客機(jī)上，向地面扔一個(gè)一個(gè)硬幣，要確切投入儲(chǔ)蓄罐狹小的投幣口內(nèi)，而儲(chǔ)蓄罐還在漸漸旋轉(zhuǎn)中；或則說從北京發(fā)射一束光，要瞄準(zhǔn)上海任何一扇窗子，指哪打哪。而衛(wèi)星的偵測(cè)靈敏度也是國(guó)際上最高的，相當(dāng)于在地球劃一根火柴，在月球上都能看見。”
潘建偉說，美國(guó)專家也測(cè)算過，以這樣的技術(shù)，可以從地面上看見土星的衛(wèi)星上車輛的車牌。
王建宇說：“我們要把科學(xué)家的夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。研發(fā)量子衛(wèi)星荷載量子傳輸實(shí)物，是我?guī)琢昕蒲猩膹臎]碰到過的挑戰(zhàn)。這是國(guó)際上第一顆量子衛(wèi)星，我們以前的工作或多或少都能找到國(guó)際上的項(xiàng)目參考，并且此次的研制完全沒有可以借鑒的，全部靠我們自己解決。”
他說，為了讓穿越大氣層后光子的“針尖”仍能對(duì)上接收站的“麥芒”，為了保證量子衛(wèi)星與地面接收站間超高精度地瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤信息，科研人員從2012年起就做了各類實(shí)驗(yàn)，包括用熱氣球來模擬空間偵測(cè)器的震動(dòng)、隨機(jī)聯(lián)通和高度變化，用行駛的汽車上裝載的轉(zhuǎn)盤來模擬衛(wèi)星的疾馳而過。
科學(xué)家們?cè)谝曇皩掗煹奈鞑睾优削閼?zhàn)了五年。湖南湖的中央有一座海心山，剛好拿來向岸邊發(fā)送秘鑰。她們住宿的帳蓬就搭在海邊的一個(gè)尼姑庵旁。由于量子通訊實(shí)驗(yàn)須要避免日光的干擾，所有那些實(shí)驗(yàn)都要早上來做。每到入夜，云南河畔的她們就繁忙上去。做實(shí)驗(yàn)時(shí)得注意燈光不能太亮，否則大如團(tuán)團(tuán)羽絨的野生飛蟲，就會(huì)飛撲過來。最危險(xiǎn)的是熱氣球?qū)嶒?yàn)，高原河邊氣流變化詭譎，有一次熱氣球剛放飛，就遇上一陣大風(fēng)，頓時(shí)將汽球吹到離地幾百米的高空，又忽然險(xiǎn)些掉到地面，把所有人都嚇出一身冒汗。
潘建偉說，目前的量子衛(wèi)星空間覆蓋能力和應(yīng)用還有限。其團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃舉辦空間站“量子調(diào)控與光傳輸研究”，研制星間量子通訊技術(shù)、全天時(shí)量子通訊技術(shù)等，同時(shí)進(jìn)行量子秘鑰組網(wǎng)應(yīng)用。“如果國(guó)家支持發(fā)射多顆量子通訊衛(wèi)星，這么有希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通訊網(wǎng)路。”他說。