“墨子号”发射升空 东阳籍专家潘建伟揭开量子卫星面纱

来源:互联网新闻 时间:2020-04-28 22:46

新蓝网-中国蓝新闻客户端8月17日讯(浙江卫视记者报道)2016年8月16日1时40分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。这将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

这一刻,全球科学界的目光都落在46岁的量子卫星首席科学家、中国科学院院士潘建伟身上。值得一提的是,包括潘建伟在内,其团队多位科学家均来自浙江东阳。

在500千米轨道上运行的量子卫星,和地面上彼此相距1200千米的台站一起,构成有史以来最大的科学实验室。研制、发射这颗“史无前例”的卫星,凝聚了许多科研工作者的智慧和汗水。8月16日凌晨,在酒泉卫星发射基地和潘建伟一道见证“墨子号”升空的还有一位宁波人——卫星工程常务副总师、卫星总指挥、中科院上海分院副院长王建宇。卫星发射成功后,两人情不自禁地互相拥抱。王建宇在电话里告诉家乡记者:“第一次承担如此重大的责任,在发射倒计时的时候还是有点紧张的。当完成卫星和火箭的分离,特别是听到卫星太阳能电池板成功展开,我心里一下子就踏实了。”

传送不可破解的密码,探索微观秘境,寻找超时空传输的可能性——量子卫星担负的任务如此神秘传奇,正如量子物理本身一样深邃莫测。卫星发射前后,本报记者还采访了量子卫星工程的主要参与单位——中科院微小卫星创新研究院(上海微小卫星工程中心)的一位青年设计专家,以及浙江大学航空航天学院副院长、微小卫星研究中心主任金仲和教授等专家,共同揭开这颗量子卫星的神秘面纱。

量子特性造就奇观

终极安全的量子密钥

人们对“墨子号”在未来2年里将陆续开展的一系列实验充满期待:它不仅在建立量子通信网络方面有巨大应用价值,还将为理解量子物理最令人费解的现象迈出重要一步。

量子通信的巨大价值,在于其是迄今为止唯一被严格证明为“无条件安全”的通信方式:信息传送无法被窃取,更无从破解。以具有量子态的物质作为密码,即“量子密钥”,是量子通信的关键要素。

中科院微小卫星创新研究院青年专家引述了潘建伟曾经用过的一个比喻:古人在信封上用火漆封口,一旦信件被中途拆开,就会留下泄密的痕迹,而量子密钥在量子通信中的作用比火漆更彻底。“因为一旦有人试图打开‘信件’,量子密钥会让‘信件’自毁,并让使用者知晓。”这位青年专家说。

这种神奇情景之所以会实现,源于量子自身匪夷所思的物理特性,是微观世界里最小的、不可分割的基本单位。量子具有多种神奇的特性,量子纠缠就是其中之一,被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。

上述青年专家表示,普通通信就像甲写信给乙,若中间有人拿到信,只要一台复印机就可以完整获得信件的内容。量子通信信息是写在光子的状态上,根据“量子测不准”原理,对信息的测量或者读取必然会改变光子的状态。因此,一旦被人偷看,量子的状态自动发生变化,接受者也因此能察觉,而偷窥者也看不到原貌。而且,量子状态有个不可克隆定理,偷窥者不能通过读取制造同样状态的量子,所以无法伪造。

“墨子号”的主要科学目标之一,就是进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子通信网络实验,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。上述青年专家通俗地解释了这项实验的过程:从卫星上下发一连串单光子,地面光学实验站接到信号之后进行解码,如果成功,就相当于完成了通信。而如果在卫星的中继之下,地面上的两个实验站能够进行安全通信,那就可以组织通信网络了。

在潘建伟团队成员、中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心陆朝阳教授看来,“墨子号”的实验同样是对量子力学既有理论的一次检验。在重力等条件发生很大变化的太空,同样的量子力学实验结果会不会有变化,是科学界非常关心的问题。“如果真的发生变化,那就打开了新的物理学的大门。”陆朝阳说。

首颗量子卫星

突破系列关键技术

前所未有的空地实验,对我国自主研发的首颗量子卫星提出了极高要求。潘建伟表示,“墨子号”突破了一系列关键技术,包括高精度跟瞄、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等。

金仲和介绍,这颗重量为640千克的卫星,属于“小卫星”。个头虽小,却搭载了大量仪器设备。据了解,“墨子号”分为上下两层,下层是电源、测控等常规卫星平台;上层是量子卫星的核心部件:量子密钥通信机,主要负责发射作为密钥的单个光子;量子纠缠源,主要负责生成呈纠缠状态的成对光子;量子纠缠发射机,主要负责和量子密钥通信机一起把呈纠缠状态的两个光子同时发射到两个地面站;量子试验控制与处理机,是实验任务的控制和处理系统。

天上有卫星,地面也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。

潘建伟说,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,研究人员在国际上首次对其实现了小型化。

量子卫星对精准控制的要求极高。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,就好比卫星上的“针尖”对地面上的“麦芒”。

“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。

王建宇说,一般的对地观测卫星,只要在外空的轨道上被动地接受来自地球的电磁辐射,就能获得所需要的图像数据,对地面没有特殊要求。而量子卫星需要的是天地协同,必须保障天地之间通信链路的畅通。量子卫星虽然已经发射成功,但距离圆满完成实验任务还有很长的路要走。

“第二次量子革命”

我国先行一步

对中国正在高速发展的量子通信领域来说,2016年将是具有里程碑意义的一年。

量子卫星升空,用《自然》网站相关报道的话说,显示中国在这场“特殊的太空竞赛”中“迈出了一大步”,立于正兴起的“第二次量子革命”的潮头。

潘建伟介绍,量子保密通信“京沪干线”将在2016年下半年全线开通,将应用于金融、电子、政务等多领域的信息传输。

量子通信和量子计算已经在多个国家吸引了政府和高科技企业的巨大投入。欧盟今年4月宣布,投入10亿欧元支持量子技术,这是欧盟继石墨烯和脑科学之后的第三个旗舰型科研项目。美国多个政府部门早就对量子信息技术研究大量投入。谷歌与美国航天局、加利福尼亚大学圣巴巴拉分校联合成立了量子人工智能实验室,并推出了量子计算机开发计划;2014年,IBM宣布将于随后5年内在以量子计算技术为重点的一些领域投入30亿美元。

在潘建伟看来,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。“一开始,量子通信可能会应用于国防、金融、政务、科学研究等,之后会在大众中广泛应用。”

基于个人判断,潘建伟给出了一个量子通信技术普及的“时间表”:5年左右很多机要部门开始使用,10年左右金融业、银行等大机构开始使用,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,银行转款、电子账户等的涉密操作,都不用担心被盗用或者攻击。”依赖于量子通信网络的建设,应用成本也会逐渐下降。

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