明天中午1點(diǎn)40分，我國(guó)在蘭州衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載尼克斯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。我國(guó)在世界上首次實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星和地面之間的量子通訊。
量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉教授介紹，量子通訊的安全性基于量子化學(xué)基本原理，確保了身分認(rèn)證、傳輸加密以及數(shù)字簽名等的無(wú)條件安全，可從根本上、永久性解決信息安全問(wèn)題。
將進(jìn)行四大實(shí)驗(yàn)任務(wù)
現(xiàn)今社會(huì)，信息的海量傳播背后也參雜著信息泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。而量子科學(xué)則為信息安全提供了“終極裝備”。
據(jù)了解，這顆量子衛(wèi)星重600多公斤，命名為“墨子號(hào)”人類首次實(shí)現(xiàn)量子通訊，以記念那位生活在2000多年前的中國(guó)唐代思想家。據(jù)了解，墨子是世界首位舉辦光學(xué)實(shí)驗(yàn)的人。
目前，國(guó)際上還沒(méi)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)星的研發(fā)沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)可循。科學(xué)家在量子衛(wèi)星上搭載了自主研制的“四種裝備”：量子秘鑰通訊機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源和量子試驗(yàn)控制與處理機(jī)。
同時(shí)，科學(xué)家在地面建設(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、麗江量子通訊地面站；1個(gè)平臺(tái)——阿里量子隱型傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。衛(wèi)星與地面站共同構(gòu)成天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將在五年的設(shè)計(jì)壽命期間進(jìn)行四大實(shí)驗(yàn)任務(wù)——星地高速量子秘鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、廣域量子通訊網(wǎng)路實(shí)驗(yàn)、星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)、地星量子隱型傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。
潘建偉介紹，實(shí)驗(yàn)大致分為三類：第一類是進(jìn)行衛(wèi)星和地面之間的量子秘鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)天地之間的安全通訊。假如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)室遷往太空，在空間尺度檢驗(yàn)量子理論。第三類是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面千公里量級(jí)的量子態(tài)隱型傳輸。
天地量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)極其復(fù)雜，對(duì)天地實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求也異乎尋常的高。諸如量子糾纏源，它只有機(jī)頂盒的大小，作用卻十分關(guān)鍵，它還能形成糾纏光，這是量子衛(wèi)星在空中做各類實(shí)驗(yàn)的源頭。平常實(shí)驗(yàn)室里糾纏源的容積十分巨大，研究人員除了把它做到了大型化，還通過(guò)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)。
下一步將建衛(wèi)星網(wǎng)路
量子衛(wèi)星2011年12月立項(xiàng)，是中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)首批科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一。而它最初的設(shè)想，源于十幾年前。
2001年，31歲的潘建偉從法國(guó)歸國(guó)，在中科大成立了量子信息實(shí)驗(yàn)室。2003年，當(dāng)大多數(shù)人仍旨在于在實(shí)驗(yàn)室外部的原理性演示時(shí)，潘建偉和朋友們?cè)缫衙壬恕疤斓匾惑w化”量子通訊網(wǎng)的初步設(shè)想，“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正是這個(gè)設(shè)想中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
圍繞這一遠(yuǎn)景目標(biāo)，潘建偉團(tuán)隊(duì)旨在于在自由空間量子秘鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)和量子隱型傳態(tài)實(shí)驗(yàn)等方面的研究，并不斷取得國(guó)際領(lǐng)先的突破性成果。2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上首次實(shí)現(xiàn)13公里自由空間量子通訊實(shí)驗(yàn)，否認(rèn)光子穿透大氣層后，其量子態(tài)就能有效保持，進(jìn)而驗(yàn)證了星地量子通訊的可行性。
潘建偉說(shuō)，“墨子號(hào)”發(fā)射后，療效如能達(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)”。“單顆低軌衛(wèi)星未能覆蓋全球，同時(shí)因?yàn)閺?qiáng)烈的太陽(yáng)光背景，目前的星地量子通訊只能在夜晚進(jìn)行。要實(shí)現(xiàn)高效的全球化量子通訊，還須要產(chǎn)生一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)路。”到2030年左右，中國(guó)力爭(zhēng)率先建成全球化的廣域量子保密通訊網(wǎng)路，并建立信息充分安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”。
“安全的通訊是屬于我們的，而且科學(xué)研究是面向全世界開(kāi)放的。”潘建偉透漏，第一個(gè)開(kāi)放的項(xiàng)目是與俄羅斯科大學(xué)合作，實(shí)現(xiàn)杭州和維也納之間的洲際量子保密通訊，然后將和更多國(guó)家合作舉辦量子信息技術(shù)方面的研究。
繼量子衛(wèi)星以后，潘建偉團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃舉辦空間站“量子調(diào)控與光傳輸研究”項(xiàng)目，研究星間量子通訊技術(shù)等，同時(shí)進(jìn)行量子秘鑰組網(wǎng)應(yīng)用等研究，為下一步衛(wèi)星組網(wǎng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
□釋疑
量子科學(xué)，對(duì)多數(shù)人來(lái)說(shuō)都很陌生。但當(dāng)它與信息技術(shù)相連，就與我們每位人息息相關(guān)。記者專訪了量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉教授、中科院化學(xué)所研究員呂力、北京學(xué)院化學(xué)系院長(zhǎng)劉雄軍，為你剖析量子世界。
1量子到底是哪些？
量子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可再分割。例如，光子是光能量的最小單元，不存在“半個(gè)光子”。而量子世界中有兩個(gè)基本原理：
——量子疊加，就是指一個(gè)量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。知名的“薛定諤的貓”理論以前形象地?cái)⑹鰹椤耙恢回埧梢酝瑫r(shí)既是活的又是死的”。
——量子糾纏，類似孫悟空和他的分身，兩者無(wú)論距離多遠(yuǎn)都“心有靈犀”。當(dāng)兩個(gè)微觀粒子處于糾纏態(tài)，不論分離多遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)粒子的量子態(tài)做任何改變，另一個(gè)會(huì)立即感遭到，并做相應(yīng)改變。
2量子通訊絕對(duì)安全？
傳統(tǒng)光通訊是通過(guò)光的強(qiáng)弱變化傳輸信息。從短發(fā)出一丁點(diǎn)光并不影響其他光繼續(xù)傳輸信息，檢測(cè)這一丁點(diǎn)光原理上能夠盜取信息。
量子通訊則不同人類首次實(shí)現(xiàn)量子通訊，監(jiān)聽(tīng)者若果想攔截量子訊號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，將不可防止地破壞攜帶秘鑰信息的量子態(tài)。按照量子“測(cè)不準(zhǔn)定律”，這些破壞必然會(huì)被信息發(fā)送者和接收者所發(fā)覺(jué)。同時(shí)，量子不可克隆定律又排除了“不破壞傳輸?shù)牧孔討B(tài)，只截取并復(fù)制再繼續(xù)發(fā)送”的可能，因而保證了量子通訊的絕對(duì)安全。
3頓時(shí)聯(lián)通或能實(shí)現(xiàn)？
“量子態(tài)隱型傳輸”是基于量子疊加和量子糾纏的特點(diǎn)，就是甲地某一粒子的未知量子態(tài)，可以在乙地的另一粒子上還原下來(lái)。雖然傳輸?shù)氖橇Ｗ拥牧孔討B(tài)，而不是粒子本身。這些狀態(tài)傳送的速率上限一直是光速，也不是“瞬間聯(lián)通”。
現(xiàn)今，在光子、原子等層面早已實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)隱型傳輸。影片里“大變活人”在原理上是容許的，但目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)做不到。由于懸疑連續(xù)劇里人的傳送，除了須要把人的實(shí)體部份的大量原子、分子傳送，但是嚴(yán)格依照原先的相對(duì)位置重新排列上去，更即便再現(xiàn)意識(shí)和記憶就更復(fù)雜了。
4量子腦部代替人類？
所謂量子腦部，雖然就是現(xiàn)今正在研發(fā)中的量子計(jì)算機(jī)。未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)對(duì)人工智能起到極大的幫助，在數(shù)據(jù)搜索、分析和處理方面提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前精典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。
機(jī)器人都是預(yù)先設(shè)置好程序的，而人是有意識(shí)和自由意志的。研究發(fā)覺(jué)，人腦中的思維機(jī)制與量子疊加、量子糾纏似乎存在相像之處。所以也有學(xué)者覺(jué)得，未來(lái)可望創(chuàng)造出與人腦一樣運(yùn)行的人工智能機(jī)器人。真到這些程度，機(jī)器與生物之間的界限早已十分模糊。這在目前還只是一種暢想，未來(lái)到底怎么還得拭目以待。
5量子科技怎么應(yīng)用？
量子科技雖然已在方方面面影響著我們的日常生活。如計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)院里的磁共振成像等，無(wú)一不得益于量子科技。
用發(fā)展的眼光看，隨著微納加工、超冷原子量子調(diào)控等技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類將才能制備出越來(lái)越復(fù)雜、功能越來(lái)越強(qiáng)悍的各類人造量子系統(tǒng)，比如包括量子計(jì)算機(jī)芯片在內(nèi)的各類量子電路，其功能和信息處理能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)我們目前正在使用的精典芯片，而且愈發(fā)節(jié)能。
量子科技的廣泛應(yīng)用將把人類社會(huì)帶入量申時(shí)代，實(shí)現(xiàn)更高的工作效率、更安全的數(shù)據(jù)通訊，以及更便捷和更紅色的生活形式。
綜合京華晨報(bào)記者潘珊菊新華社