揭秘全球首颗量子卫星：信息安全的“终极武器”

　　16日凌晨,被命名为“墨子号”的中国首颗量子科学实验卫星开启星际之旅。它承载着率先探索星地量子通信可能性的使命,并将首次在空间尺度验证量子理论的真实性。在量子卫星首席科学家潘建伟院士看来,如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的“网”,那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。当这张纵横寰宇的量子通信“天地网”织就,海量信息将在其中来去如影,并且“无条件”安全。

　　图文均据新华社

　　[ 揭秘 ]

　　信息安全的“终极武器”

　　量子科学,对绝大多数人来说十分高冷。但当它与信息技术相连,就与我们每个人息息相关。当今社会,信息的海量传播背后也充斥着信息泄露的风险。而量子科学则为信息安全提供了“终极武器”。在量子保密通信中,由于量子的不可分割、不可克隆和测不准的特性,所以一旦存在窃听就必然会被发送者察觉并规避。

　　“传统的信息安全都是依赖于复杂的算法,只要计算能力足够强大,再复杂的保密算法都能够被破解。量子通信能做到绝对安全,是由量子自身的特性所决定的,计算能力再强也破解不了,因此它是革命性的,可从根本上、永久性解决信息安全问题。”潘建伟说。

　　量子通信系统的问世,点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。当前,量子通信的实用化和产业化已经成为各个大国争相追逐的目标。

　　在量子通信的国际赛跑中,中国属于后来者。经过多年的努力,中国已经跻身于国际一流的量子信息研究行列,在城域量子通信技术方面也走在了世界前列。

　　“四种武器”挑战四大实验任务

　　目前,国际上还没有一个国家将量子科学实验送入空间,量子卫星的研制没有任何经验可循,过程充满了困难和挑战。

　　科学家在量子卫星上搭载了自主研发的“四种武器”:量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子试验控制与处理机。

　　同时,在地面建设了科学应用系统,包括1个中心——合肥量子科学实验中心;4个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站;1个平台——阿里量子隐形传态实验平台。卫星与地面站共同构成天地一体化量子科学实验系统,在两年的设计寿命期间将进行四大实验任务——星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验、地星量子隐形传态实验。

　　潘建伟介绍,实验大致分为三类:第一类是进行卫星和地面之间的量子密钥分发,实现天地之间的安全通信,如果4个地面站任何两两之间都可以实现安全的通讯,即可实现组网;第二类相当于把量子实验室搬到太空,在空间尺度检验量子理论;第三类是实现卫星和地面千公里量级的量子态隐形传输。

　　攻克了许多技术难题

　　天地量子科学实验非常复杂,对天地实验设备的要求也异乎寻常的高。潘建伟坦言,卫星研制过程中,最困难的环节就是有效载荷,“攻克了许多技术难题才拿下”。

　　比如量子纠缠源,它只有机顶盒的大小,作用却非常关键,它能够产生纠缠光,这是量子卫星在空中做各种实验的源头。平时实验室里纠缠源的体积非常巨大,研究人员不仅把它做到了小型化,还通过一系列的创新让它实现了满足空间环境要求,在国际上是首次实现。

　　量子卫星对精准控制的要求也前所未有的高。量子卫星系统总师朱振才介绍,量子卫星飞行中,携带的两个激光器要分别瞄准两个相距上千公里的地面站,向左向右同时传输量子密钥,且卫星上的光轴和地面望远镜的光轴要始终精确对准,就好比卫星上的“针尖”对地面上的“麦芒”。

　　科研团队进行了各种实验,考验超远距离“移动瞄靶”能力,最终突破了星地光路对准等关键技术,通过平台和载荷两级控制的方式,对准精度可以达到普通卫星的10倍。

　　“激光器一站对一站有人做过,但一颗卫星对准两个地面站国际上还从来没有过。如果成功的话,在国际上也是首次实现这么高精度的跟踪和地面站配合。”中科院国家空间科学中心主任吴季说。

　　[ 展望 ]

　　“量子星群”引领量子互联网时代

　　此刻,量子卫星已在太空轨道上翱翔。而它最初的构想,始于十几年前。

　　2001年,31岁的潘建伟从欧洲回国,在中科大组建了量子信息实验室。

　　2003年,当大多数人仍致力于在实验室内部的原理性演示时,潘建伟和同事们已经萌生了“天地一体化”量子通信网的初步构想,“量子科学实验卫星”正是这个构想中的关键节点。

　　2005年,潘建伟团队在世界上第一次实现13公里自由空间量子通信实验,证实光子穿透大气层后,其量子态能够有效保持,从而验证了星地量子通信的可行性。

　　随后,他们又不断创造“传奇”:16公里自由空间量子隐形传态、百公里级自由空间量子通信、星地量子通信的全方位地面验证实验……为星地量子通信打下了坚实基础。

　　经过十多年的发展,中国在量子通信领域已成为名副其实的世界劲旅。而这十多年间,从构想、攻关、立项到突破,人类历史上第一颗量子通信卫星终成现实。

　　潘建伟说,“墨子号”发射以后,如果效果达到预期,下一步还计划发射“墨子二号”“墨子三号”。“单颗低轨卫星无法覆盖全球,同时由于强烈的太阳光背景,目前的星地量子通信只能在夜间进行。要实现高效的全球化量子通信,还需要形成一个卫星网络。”

　　未来,一个由几十颗量子卫星组成的“璀璨星群”,将与地面量子通信干线“携手”,支撑起“天地一体”的量子通信网。

　　到2030年左右,中国力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络。在此基础上,构建信息充分安全的“量子互联网”,形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统。

　　[ 反响 ]

　　国际科学界“点赞”中国量子卫星

　　中国16日成功发射全球首颗量子科学实验卫星,国际科学界人士对此纷纷“点赞”。

　　美国波士顿大学的量子物理学家亚历山大·谢尔吉延科说:“这个事确实很让人激动,因为它是首次开展此类试验,因此对全球都有重要意义。”

　　英国剑桥大学量子物理学教授阿德里安·肯特,他说:“我对中国发射量子卫星这事感到很兴奋。”他认为,这是为使用量子技术构建全球性安全通信网络迈出的“第一步”。肯特还提到了中国卫星对国际科学合作的意义,因为这个卫星项目中还有奥地利科学家是合作方。肯特说:“科学是无边界的,中国和奥地利科学家合作的这个量子卫星项目正是让人兴奋的明证。”

　　奥地利著名量子科学家安东·蔡林格参与了中国量子卫星项目,他认为中国卫星会带动全球相关领域的发展,因为如果中国团队取得成功,那么其他团队将更容易获得对量子卫星的资助。

　　德国整合量子科学和技术中心负责人托马索·卡拉尔科说:“中国发射全球首颗量子卫星意义重大,在实现全球安全量子通信的道路上迈出了决定性的一步。”

　　美国马萨诸塞大学的量子专家王晨说,用卫星参与量子通信,主要是可以减少搭载信号的光子在远距离传输中的损耗。因为与在光纤和地面空气中传播相比,光子在太空中的传输损耗更小。