昨日1時(shí)40分，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空。新華社記者 金立旺 攝
? 昨日凌晨1點(diǎn)40分，中國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空。這將使中國(guó)在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。
4個(gè)地面系統(tǒng)與量子衛(wèi)星構(gòu)成一體化系統(tǒng)
量子衛(wèi)星2011年12月立項(xiàng)，是中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)首批科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一，其主要科學(xué)目標(biāo)是借助衛(wèi)星平臺(tái)，進(jìn)行星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，以期在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破；在空間尺度進(jìn)行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。
工程還建設(shè)了包括南山、德令哈、興隆、麗江４個(gè)量子通信地面站和阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站在內(nèi)的地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，與量子衛(wèi)星共同構(gòu)成天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
兩年設(shè)計(jì)壽命完成四大任務(wù)
量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士向媒體介紹，量子通信的安全性基于量子物理基本原理，單光子的不可分割性和量子態(tài)的不可復(fù)制性保證了信息的不可竊聽和不可破解，從原理上確保身份認(rèn)證、傳輸加密以及數(shù)字簽名等的無條件安全，可從根本上、永久性解決信息安全問題。
據(jù)新華社報(bào)道，量子衛(wèi)星將在兩年的設(shè)計(jì)壽命中完成四大任務(wù)：星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)；廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)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；還計(jì)劃在“世界屋脊”西藏阿里和衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。
潘建偉表示，“墨子號(hào)”發(fā)射以后，如果效果達(dá)到預(yù)期，下一步還計(jì)劃發(fā)射“墨子二號(hào)”“墨子三號(hào)”。記者賈世煜
■ 焦點(diǎn)
量子衛(wèi)星將實(shí)驗(yàn)星地“安全”通信
在量子世界中，一個(gè)物體可以同時(shí)處在多個(gè)位置，一只貓可以處在“死”和“活”的疊加狀態(tài)上；所有物體都具有“波粒二象性”，既是粒子也是波；兩個(gè)處于“糾纏態(tài)”的粒子，即使相距遙遠(yuǎn)也具有“心電感應(yīng)”，一個(gè)發(fā)生變化，另一個(gè)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變……
正是由于量子具有這些不同于宏觀物理世界的奇妙特性，才構(gòu)成了量子通信安全的基石。在量子保密通信中，由于量子的不可分割、不可克隆和測(cè)不準(zhǔn)的特性，所以一旦存在竊聽就必然會(huì)被發(fā)送者察覺并規(guī)避。
“傳統(tǒng)的信息安全都是依賴于復(fù)雜的算法，只要計(jì)算能力足夠強(qiáng)大，再?gòu)?fù)雜的保密算法都能夠被破解。量子通信能做到絕對(duì)安全，是由量子自身的特性所決定的，計(jì)算能力再?gòu)?qiáng)也破解不了，因此它是革命性的，可從根本上、永久性解決信息安全問題。”量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士說。
在量子通信的國(guó)際賽跑中，中國(guó)屬于后來者。經(jīng)過多年的努力，中國(guó)已經(jīng)躋身于國(guó)際一流的量子信息研究行列，在城域量子通信技術(shù)方面也走在了世界前列，建設(shè)完成合肥、濟(jì)南等規(guī)?；孔油ㄐ懦怯蚓W(wǎng)，“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)也即將竣工。
然而，這只是開始?！霸诔鞘蟹秶鷥?nèi)，通過光纖構(gòu)建城域量子通信網(wǎng)絡(luò)是最佳方案。但要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離甚至全球量子通信，僅依靠光纖量子通信技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。”潘建偉說。
他解釋說，因?yàn)榱孔拥男畔y帶者光子在光纖里傳播一百公里之后大約只有1‰的信號(hào)可以到達(dá)最后的接收站，所以光纖量子通信達(dá)到百公里量級(jí)就很難再突破。但光子穿透整個(gè)大氣層后卻可以保留80%左右，再利用衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)地面上相距數(shù)千公里甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信。
另外，量子理論的奇妙之處在實(shí)驗(yàn)室里被不斷重復(fù)檢驗(yàn)，但卻從未在太空尺度驗(yàn)證過。量子理論的各種奇異現(xiàn)象在太空中是否還存在？量子糾纏和隱形傳輸是否可以延伸到星地之間？這些都需要衛(wèi)星去驗(yàn)證。
據(jù)新華社
■ 揭秘
1 “四種武器”如何塊頭變小
目前，國(guó)際上還沒有一個(gè)國(guó)家將量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)送入空間，量子衛(wèi)星的研制沒有任何經(jīng)驗(yàn)可循，過程充滿了困難和挑戰(zhàn)。
600多公斤重的量子衛(wèi)星帶有四個(gè)有效載荷：量子密鑰通信機(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，大約90分鐘繞地球一圈。
同時(shí)，在地面建設(shè)了科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，包括1個(gè)中心——合肥量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心；4個(gè)站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站；1個(gè)平臺(tái)——阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
天地量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)非常復(fù)雜，對(duì)天地實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求也異乎尋常的高。潘建偉坦言，衛(wèi)星研制過程中，最困難的環(huán)節(jié)就是有效載荷，“攻克了許多技術(shù)難題才拿下”。
比如量子糾纏源，它只有機(jī)頂盒的大小，作用卻非常關(guān)鍵，它能夠產(chǎn)生糾纏光，這是量子衛(wèi)星在空中做各種實(shí)驗(yàn)的源頭。平時(shí)實(shí)驗(yàn)室里糾纏源的體積非常巨大，研究人員不僅把它做到了小型化，還通過一系列的創(chuàng)新讓它實(shí)現(xiàn)了滿足空間環(huán)境要求，在國(guó)際上是首次實(shí)現(xiàn)。
2 星地對(duì)接如“針尖對(duì)麥芒”
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)家利用已有的天文觀測(cè)臺(tái)站，在云南麗江、新疆烏魯木齊、青海德令哈、河北興隆建設(shè)了量子通信地面站。而量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)需要從地面向衛(wèi)星發(fā)射光子，為了避免大氣湍流的影響，空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站建在了海拔5100米的西藏阿里。
潘建偉說：“我們的實(shí)驗(yàn)面積遍布60萬平方公里，這形成了人類有史以來最大的‘天地一體化量子實(shí)驗(yàn)室’?！?/p>
然而，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)顯著特點(diǎn)是要對(duì)德令哈與麗江，或德令哈與烏魯木齊兩個(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)精度高于普通衛(wèi)星的10倍，實(shí)驗(yàn)才能順利展開。真正的問題在于，這顆衛(wèi)星將在人們的頭頂以約8公里/秒的速度飛馳，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)副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說，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年起就做了各種實(shí)驗(yàn)，包括用熱氣球來模擬空間探測(cè)器的振動(dòng)、隨機(jī)移動(dòng)和高度變化，用行駛的車輛上裝載的轉(zhuǎn)盤來模擬衛(wèi)星的飛馳而過。
據(jù)新華社
量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星
四種“武器”
●量子密鑰通信機(jī)
●量子糾纏發(fā)射機(jī)
●量子糾纏源
●量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)
四大實(shí)驗(yàn)任務(wù)
●星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)
●廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)
●星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)
●地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)分三類
第一類：進(jìn)行衛(wèi)星和地面之間的量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)天地之間的安全通信，如果4個(gè)地面站任何兩兩之間都可以實(shí)現(xiàn)安全的通信，即可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)
第二類：相當(dāng)于把量子實(shí)驗(yàn)室搬到太空，在空間尺度檢驗(yàn)量子理論
第三類：實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面千公里量級(jí)的量子態(tài)隱形傳輸
