量子科学实验卫星助力通信安全

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1、量子科学实验卫星助力通信安全　　北京时间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。2016年8月17日11时56分，中国遥感卫星地面站密云站成功跟踪、接收到了“墨子号”的首轨数据，人类首次实现卫星和地面之间的量子通信。这不仅是量子通信研究走向实用化的标志，也是我国在量子通信领域后来居上的里程碑。　　奇妙的量子纠缠　　量子力学和相对论是现代理论物理学的两个根基。众所周知，爱因斯坦是相对论的创始人，但鲜为人知的是，他也是量子力学的先驱。随着量

2、子力学的发展，爱因斯坦发现，在量子世界中，处于纠缠态的两个粒子，无论其相距多远，都存在某种神秘的“心电感应”，一个粒子的状态发生改变之后，另一个粒子的状态瞬间也会发生相应的变化，这就是奇妙的量子纠缠效应。但相对论的相关理论同时也表明，物体运动或是信息传递是无法超越光速的，那么这两个量子又是如何建立通信的呢？　　量子纠缠的奇异性不仅在于它超越了空间，同时让人疑惑的还有它的不确定性。这好比两个黑箱中存放着一对既黑又白的“黑白球”，同常见的非黑即白的情况不同，打开黑箱的瞬间会随机出现黑球或白球。这种不确定性加上奇异的超距作用，让爱因

3、斯坦这样的大科学家也开始怀疑起量子力学的科学性。3　　不过，经过科学家多年的验证，这种幽灵般的纠缠效应确实是存在的。密码学家认为，奇妙的量子纠缠效应能够为通信提供得天独厚的随机密钥，建立起牢不可破的保密通信系统――量子通信。　　“墨子号”翱翔天际　　墨子最早提出光线沿直线传播，并设计了小孔成像实验，他是我国科学研究的先驱。作为全球首颗量子科学实验卫星，“墨子号”正是由此得名。　　量子通信应用了量子纠缠效应，由于纠缠态量子的不确定性，因此将其用于量子通信产生的密钥也是完全随机的，且能保证一次一密。一旦密钥被截获，量子的状态就会发

4、生改变，而接收者则能根据密钥出错的概率察觉到被窃听，这就保证了量子通信加密的信息无法被破译。　　尽管量子通信的保密性毋庸置疑，但在地面上，由于量子在地面光纤网络等介质中传输的损耗，有限的传输距离逐渐成为困扰量子通信的拦路虎。通过发射量子科学实验卫星，数十千米的大气层对量子的损耗要比光纤等介质小很多，因此保障了量子纠缠源能在更大范围内实现稳定的远距离量子通信。　　量子科学实验卫星“墨子号”高约1.7米，重约640千克，在约500千米高度的近地轨道上运行。它上面搭载了量子纠缠源、量子纠缠发射机、量子密钥通信机和量子实验控制和处理机

5、，整个系统正是通过制备和分发纠缠态的光量子成功实现量子通信。“墨子号”3在发射后，还将与建在北京兴隆、新疆南山、青海德令哈、云南丽江的4个量子通信地面站和建在西藏阿里的量子隐形传态实验站进行通信对接，进行一系列的量子科学和通信安全实验。在高速运动的“墨子号”上，它产生的两个纠缠光量子将分别奔向相距上千千米的地面站，这远远超过了“针尖对麦芒”所需的高精度。整个过程必须保证精确的对准，这也在一定程度上反映了“墨子号”在设计上的精细度。　　广域量子网络指日可待　　“墨子号”的顺利升空，开启了我国量子通信工作的新纪元，但这也仅仅是万里

6、长征的第一步。在现有的技术能力下，量子通信技术仅能够达到点对点数百千米量级的量子通信。要想建立更长距离的连接，就需要建立起若干具有信息中转作用的中继站点。今年年底，我国将建立起北京、济南、合肥、上海4个量子通信城域网，可以在北京和上海之间实现总长数千千米的量子通信，这将构成全球首条量子保密通信干线――“京沪干线”。连接地面上各个城市、各个信息传输点的“京沪干线”与空间的量子科学卫星将共同构成广域量子通信网络。卫星在天上，量子通信干线在地上，天地之间默契配合，从而顺利实现广域的量子通信。伴随着“京沪干线”量子通信干线的运行，量子

7、通信也将在金融、军事、政务等领域的信息传输上有更多的应用。　　人类正在步入量子信息的崭新时代。也许在不久的将来，量子通信将走进千家万户，为人们日常的网络通信操作，如网上银行业务、网络支付、手机支付带来安全性保障，到那时，量子通信这一“绝对安全”的信息传递手段也将为社会发展注入新的能量。3