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【科学普及】量子卫星是什么?

兰州文献情报中心 2016-08-19 10:09:02

[导读] 量子卫星是什么?简单的来说,是通讯卫星。据悉,中国量子卫星的发射将使中国在国际上率先实现高速星地量子通信,连接地面光纤量子通信网络,初步构建量子通信网络。

量子卫星是什么?简单的来说,是通讯卫星。据悉,中国量子卫星的发射将使中国在国际上率先实现高速星地量子通信,连接地面光纤量子通信网络,初步构建量子通信网络

近年来,量子通信因其传输高效和绝对安全等特点,被认为是下一代通信和计算机技术的支撑性研究。由于量子不可分割、状态不可克隆的特性,将其作为信息载体便可以实现抵御任何窃听的密钥分发,进而保证传输内容的绝对安全。以此为核心研究内容的量子卫星通信,也已成为全球物理学研究的前沿与焦点领域。

我国关于量子卫星的研制始于2011年,并在2013年启动了光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”项目。据了解,建成后的“京沪干线”全长2000多公里,连接北京、济南、合肥、上海等全国多个城域网络,并将是全球首个广域光纤量子保密通信骨干网络。

量子科学实验卫星

神秘量子纠缠带来保密通信

超冷原子光晶格平台的激光伺服系统

量子世界中存在一种类似“心电感应”的现象,即量子纠缠。就好比有些双胞胎,虽然哥哥在北京,弟弟在上海,当哥哥特别高兴时,弟弟也会特别高兴;而哥哥特别痛苦的时候,弟弟也会特别痛苦。

量子纠缠是指在微观世界里,有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系,不管它们相距多远,只要一个粒子状态发生变化,另一个粒子状态也会发生相应变化,即两个或两个以上的稳定粒子间会有强的量子关联,但为什么会这样?科学家们直到今天还没搞清楚。

其实很久以前,人类只知道太阳会从西边下山,第二天会从东边升起这个现象,但为什么会这样当时谁也不知道。后来人们发现了万有引力,知道了地球绕着太阳转,本身也自转,这才明白太阳为什么会在第二天从东方升起。因此,量子纠缠的现象虽然现在看起来不可思议,但科学家们以后有可能搞清楚它的原理,到了那时候,这种今天看起来神秘的现象就不奇怪了。

虽然现在还弄不清量子纠缠的原理,但我们却可以利用这一现象作为通信的手段。利用量子纠缠技术,需要传输的量子态信息如同科幻中描绘的超时空穿越,在一个地方神秘消失,不需要任何载体携带,又在另一个地方神秘出现。

实验已证明,具有纠缠态的两个光量子无论相距多远,只要一个发生变化,另外一个也会瞬间发生变化。量子保密通信就是利用这个特性实现的,即基于量子纠缠态的理论,通过量子密钥传输和量子隐形传态的方式实现信息传递。

其过程如下:事先构建一对具有纠缠态的光量子,将这对光量子分别放在通信双方,把具有未知量子态的光量子与发送方的光量子进行联合测量,则接收方的光量子瞬间变化为某种状态,这个状态与发送方的光量子变化后的状态是对称的,然后把联合测量的信息通过经典信道传送给接收方,接收方根据接收到的信息对变化的光量子进行幺正变换(相当于逆转变换),就可得到与发送方完全相同的未知量子态。

量子通信的关键要素是量子密钥,用具有量子态的物质作为密码。在传递信息的过程中,量子密钥一旦被截获,其自身状态会立刻发生改变,截获量子密钥的人只能得到无效信息,而信息的合法接收者也能立刻察觉,直到一把新的密钥安全无误地被接收。

传统的通信加密和传输安全都是依赖于复杂的算法,但是只要窃取者的计算能力足够强大,再复杂的保密算法都能够被破解,因此都不能够做到绝对安全。量子通信的安全性基于量子物理的基本原理,作为光的最小粒子,每个光量子在传输信息的时候具有不可分割和不可被精确复制两大特性,从而能保证信息的不可窃听和不可破解,所以哪怕计算能力再强也是破解不了的。

信息量巨大瞬时传递

潘建伟院士演示实用化量子通信产品进行远距离保密通话

量子隐形传态是基于量子叠加、量子纠缠理论,通过隐形传输而实现的信息传递方式。它利用量子纠缠技术,借助卫星网络、光纤网络等经典信道,传输量子态携带的量子信息。这种全新的通信方式传输的不再是经典信息,而是量子态携带的量子信息。其携载的信息量很大,因而让一般的光纤网络和普通卫星网络只能望尘莫及,即使3G、4G甚至5G、6G网络也无法媲美。

为了进行远距离的量子隐形传态,往往需要事先让相距遥远的两地共同拥有最大量子纠缠态。但是,由于存在各种不可避免的环境噪声,量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此,如何提纯高品质的量子纠缠态是量子通信研究中的重要课题。20多年来,潘建伟等中国科学家在自由空间量子纠缠分发和量子隐形传态实验方面,不断取得国际领先的突破性成果,已从实现对单光量子的精确操纵到实现4光量子(2003年)、5光量子(2004年)、6光量子(2007年)、8光量子纠缠(2012年),为基于卫星的广域量子通信和量子力学基础原理检验奠定了坚实基础。

另外,量子通信可实现最快的通信。研究发现,即使将两个纠缠态亚原子粒子分隔到宇宙距离,它们之间的通信也几乎是即刻的。与传统光速通信相比,量子通信的线路时延为零,量子信息传递的过程不会为任何障碍所阻隔,所以完全环保,不存在任何电磁辐射污染。科学家已经在地球上成功做了以下实验,将两个纠缠光量子分开数千米,在数纳秒的间隔内测量它们的自旋。结果发现,如果测量发现它们其中一个自旋是+1,知晓另一个是-1的速度至少比以光速进行通信快1万倍。

量子通信也是超时空穿越的远距离通信。因为它属于隐形传输技术,与人类历史上此前已有的通信技术有着本质的差异。科学实验证实,创造两个互相纠缠的光量子以后,哪怕将它们分开很远,也可以通过测量其中一个的状态来得知关于另一个的信息。所以,可以利用量子通信的特性实现与遥远恒星系统的通信。

远距量子通信不能没有卫星

虽然可用光纤建造城域量子通信网络,但由于光量子易被光纤吸收,存在固有的光量子损耗,与环境的耦合也会使量子纠缠品质下降,最终导致信号在光纤传送的过程中越来越弱,因此仅仅利用光纤难以实现远距离的量子通信。另外,在近地面自由空间传输信号会受地面障碍物、地表曲率、气象条件的影响,光量子传输难以在地面自由空间中向远距离拓展。

解决这个问题有两种可行的途径:一种是利用量子中继技术,即把相距较远的通信线路分为数段,每一段的损耗因此较小,然后在量子中继的帮助下,把光子携带的信息一段段如同接力赛一样向前传递。另一种是进行自由空间单个光量子传输,这是由于大气对某些波长的光吸收有限,到了外层空间则几乎没有光损耗,因此可以突破大气层通过卫星的中转,实现数千千米甚至是全球化的量子通信。

如果量子信号通过光纤来传输,它最多传输一两百千米就会失去信号,而通过自由空间(包括大气层)可以传递几千千米,因此需要用卫星作为中继站进行协助。所以,使用量子通信卫星是远距离光量子传输的必由之路。它能克服地表曲率、障碍物的阻碍;光量子在光纤中的损耗远高于自由空间的损耗,其中大气层对光量子的吸收和散射远小于光纤,并能保持光量子极化纠缠品质。另外,受到地面条件的限制,很多地方无法铺设量子通信的专用光纤。因此,若想建设覆盖全球的量子通信网络,必须依赖多颗量子通信卫星。

发展量子保密通信技术的终极目标,是构建广域乃至全球范围的绝对安全的量子通信网络。可通过光纤实现城域量子通信网络连接一个中等城市内部的通信节点;通过量子中继技术实现邻近两个城市之间的连接;通过量子通信卫星与地面站之间的自由空间光量子传输和卫星平台的中转,实现两个遥远区域之间的连接。这些是目前条件下实现全球广域量子通信最理想的途径。

2012年,潘建伟等中国科学家曾在国际上首次成功实现百千米量级的自由空间量子隐形传输和纠缠分发,为发射全球首颗量子科学实验卫星奠定了技术基础。

尚需克服诸多技术难题

我国量子科学实验卫星质量约640千克,由长征-2D运载火箭发射,运行于500千米太阳同步轨道,轨道倾角为97.37°,设计在轨运行寿命2年。科学家已在相距300千米的地面成功进行了量子纠缠实验,而量子科学实验卫星将把这个实验带到外层空间,连接中国和欧洲之间的量子通信网,旨在建立卫星与地面远距离量子科学实验平台,在国际上首次在空间大尺度下实现星地自由空间量子密钥生成和分发,以及量子隐形传态实验等。

不过,在太空进行量子科学实验非常复杂,对实验设备要求也超乎寻常的高。例如,在空间载荷方面,卫星与地面站的微弧度要高精度跟瞄。在卫星的飞行过程中,它携带的两个激光器要分别瞄准两个地面站,向左向右同时传输量子密钥。为了让穿越大气层后光子的“针尖”仍能对上接收站的“麦芒”,在飞行的过程中要始终保证精确对准,跟踪要达到相当高的精度,这也是国际上从来没有人做过的。激光器一站对准一站的有人做过,但是一颗卫星对准两个地面站的从来没有过,而且还要保证对得准确,这方面我国研制团队已经在地面上做过模拟仿真实验,但还是要到真正上天以后才知道最终成功与否,所以这也是很大的技术挑战,如果能够做到的话,在国际上也是第一次做这么高精度的跟踪和地面站配合。

该卫星的核心是一个能够产生成对纠缠态光量子的晶体,无论它们分开多远,其性质仍然能纠缠在一起。其第一个任务是发送这些成对量子中的一方去往在北京和维也纳的地面站,并使用它们来生成密钥;第二个任务是证明这个纠缠可以存在于相隔上千米的粒子之间,因为量子理论预测纠缠一直存在于任何距离;第三个任务是尝试地面与卫星之间量子隐形传态,使用通过传统方式传输来的纠缠光量子对及其所携带的信息,在一个新位置重建光子的量子状态。

2030年我国将建成

全球化量子通信网络量子通信卫星运行的轨道较低,覆盖面积小。如果要在全世界范围内保障通信安全,大约需要 20 颗量子通信卫星。

据悉,按照规划,我国在2016年发射首颗量子通信卫星,建设以4个量子通信地面站和1个空间量子隐形传态实验站为核心的空间量子科学实验系统后,还将发射更多的量子通信卫星。到2020年,我国量子通信市场规模将达210亿元。随着量子通信在各领域的不断渗透,预计国内量子加密潜在市场规模有望达到500亿至1000亿元。到2020年还要实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发,届时联接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。到2030年左右,我国将建成全球化的广域量子通信网络

[整理编辑:中国测控网]
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