揭秘全球首顆量子衛星：邁向“絕對安全”的大門

量子科學實驗衛星示意圖(中科院國家空間科學中心供圖)

 

中青在線酒泉8月16日電(中國青年報·中青在線記者 邱晨輝)

 

傳一封密信，只讓天知地知、你知我知，這很可能不再只是口頭上的一種承諾，因為量子信息科學的發展，將逐漸成為一種現實。

 

儘管信息安全還牽涉不少人為的因素，但在科學家看來，量子信息科學至少能夠在硬體上將“泄密”的可能性降到最低，甚至抵達一種“絕對安全”的地步。

 

正如量子科學實驗衛星(以下稱量子衛星)首席科學家、中國科學技術大學常務副校長潘建偉院士所説，斯諾登事件告訴我們，在傳輸線路中可以進行光纜的無感竊聽，駭客的攻擊無所不在；而量子通訊，是目前人類唯一已知的無條件安全的通信方式，根據量子理論可從根本上解決通信安全的問題。

 

今天淩晨，我國成功發射的全球第一顆量子衛星，就是科學家向信息“絕對安全”的目標而邁出的重要一步，這意味著我國將在世界上率先實踐量子通信。中國青年報·中青在線記者在發射現場採訪相關專家對此進行解讀。

 

(1)量子

 

——不可分割的最基本單元

 

這一切都要從“量子”二字説起。那麼，何謂量子，它和原子、電子、中子這些客觀存在的粒子一樣，也是某一種物質實體？

 

非也。

 

量子不是一種粒子，而是構成物質的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可分割。所有人們所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現形態。

 

那麼，既然世界是由微觀粒子組成的，從某種意義上來説，世界本身也就是由量子組成的。以光為例，是由一個個“光量子”所組成的，一個光量子的能量就是光能量變化的最小單位。

 

可別小看這個最基本的單元，它有著一個可以挑戰人類傳統認知的特性——量子疊加。

 

何謂量子疊加？潘建偉有一個相對通俗的解釋：經典事件裏可以用某個物體的兩個狀態代表0 或1，比如一隻貓，或者是死，或者是活，但不能同時處於死和活的狀態中間。

 

但在量子世界，不僅有0和1的狀態，某些時候像原子、分子、光子可以同時處於0和1狀態相干的疊加。比如光子的偏振狀態，在真空中傳遞的時候，可以沿水準方向振動，可以沿豎直方向振動，也可以處於45°斜振動，這個現象正是水準和豎直偏振兩個狀態的相干疊加。

 

這種所謂的量子相干疊加是量子世界與經典世界的根本區別——著名的“薛定諤貓”形象地描述了這個佯謬。在經典世界裏，貓要不然是活的，要不然是死的，然而一隻量子的貓卻可以處在“死”和“活”的疊加狀態上。

 

潘建偉説，正因為有量子疊加狀態，才導致量子力學不確定原理，即如果事先不知道單個量子狀態，就不可能通過測量把狀態的信息完全讀取；不能讀取就不能複製。這是量子的兩個基本特性。在量子疊加原理基礎之上，衍生出了量子的另一個奇妙特性，叫做“量子糾纏”。

 

他打了一個比方：甲、乙兩人分處異地，兩人同時玩一個遊戲——擲骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1/6 的概率隨機得到1 到6 結果的某一個；同時，乙在另一地擲骰子，儘管兩人每一次單邊結果都是隨機的，但每一次的結果卻是一模一樣的，就好像是雙胞胎心靈感應一樣。

 

這就是“量子糾纏”。

 

若兩個量子粒子處在特殊的狀態中，不管其空間分離得多遠，當對其中一個粒子施行操作或測量，遠處的另一個粒子狀態會暫態地發生相應的改變，愛因斯坦稱這個現象為“幽靈般的超距作用”。

 

這種量子糾纏的“分身術”，有一個最為直接的應用，就是備受關注的量子保密通信。

 

(2)量子通信

 

——目前唯一已知的無條件安全通信

 

當前，被認為最安全的信息傳遞方式是光纖通訊。光纜能把所有的光能限制在光纖裏，外面得不到能量，所以這個傳輸被認為是安全的。但隨著科技發展，只需讓光纜洩露哪怕很少一部分能量，外人就能夠竊聽光纜傳遞的信號。

 

潘建偉説，這是因為經典通信的信號只有0和1，發生竊聽時，這兩種信號不會被擾動。

 

比如説，當兩人打電話時，他人可通過竊聽器從通信線路中的上千萬個電子中分出一些電子，使其進入另一根線路，從而實現竊聽，而通話者無法察覺。“棱鏡門”等事件的曝光便是最好的例證。

 

量子通信則不會出現這個問題。潘建偉説，這是因為其密鑰具有不可複製性和絕對安全性。一旦有人竊取密鑰，整個通信信息就會“自毀”並告知使用者。

 

他舉了一個例子：甲、乙二人要進行安全通信，甲發出的光子信息狀態有水準、豎直、45°等，假設有人竊聽——

 

第一種方法是將單光子分割成兩部分，讓其中一部分繼續傳送，而對另一部分進行狀態測量獲取密鑰信息。但由於單光子不可分割，因此這是不可能的。

 

第二種可能的方法是竊聽者希望截取單光子後，測量其狀態，然後根據測量結果發送一個新光子給接收方。但由於竊聽者不能精確地對光子的狀態進行測量，所以發送給接收方的光子的狀態與其原始狀態會存在偏差。這樣，發送方和接收方可以利用這個偏差來探測到竊聽者對光子的測量擾動，從而檢驗他們之間所建立的密鑰的安全性。

 

第三種可能的方法是竊聽者截取單光子後，通過複製單光子的狀態來竊取信息。但按照量子不可克隆原理，未知的量子態不可能被精確複製。

 

因此潘建偉認為，根據量子力學原理，無論怎樣，竊聽都可以被發現。一旦被發現，原有密鑰立即作廢。甲就可以把沒有被竊聽的密鑰傳送過去，利用産生的密鑰進行“一次一密”完全隨機的加密。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性可以實現安全量子密鑰分發，實現不可破譯的保密通信。

 

換句話説，無論破譯者掌握了多麼先進的竊聽技術、多強大的破譯能力，只要量子力學規律依然成立，由量子通信建立起的秘密就無法被破解。

 

這一套説法的問世，也重新點燃了建造“絕對安全”通信系統的希望。潘建偉説，通向“絕對安全通信”這個千百年來人類夢想大道的入口，在量子物理的指引下，又重新顯露在人們視野之中。

 

(3)量子科學實驗衛星

 

——率先向“絕對安全”的通信發起實踐

 

如今，量子信息“不可估量的前景”，讓量子通信的實用化和産業化成為了包括歐盟、美國、日本和中國在內的各個大國爭相追逐的目標——

 

2008年，歐盟啟動量子通信技術標準化研究，並成立“基於量子密碼的安全通信”工程，目前，歐盟計劃啟動10億歐元的量子技術旗艦項目，旨在建立極具競爭力的歐洲量子産業。

 

美國同樣積極，其國防部支持的“高級研發活動”計劃將量子通信應用拓展到衛星通信、城域以及長距離光纖網絡；NASA也計劃在其總部和噴氣推進實驗室之間建立一個直線600公里、包含10個骨幹節點的遠距離光纖量子通信幹線，並計劃拓展到星地通信。

 

日本也提出了量子信息長期戰略。日本國立信息通信研究院計劃在2020年實現量子中繼，到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網絡。

 

中國也在發力。2013年，中科院設立了量子衛星戰略先導專項計劃，按照這一計劃，我國量子通信技術發展分三步：一是通過光纖實現城域網絡；二是通過量子中繼器實現城際網絡；三是通過衛星中轉實現可覆蓋全球的廣域網絡。

 

此次量子衛星的發射，開啟了第三步。

 

中科院國家空間科學中心主任吳季説，量子衛星需要在兩年的設計壽命中，完成星地高速量子密鑰分發實驗、廣域量子通信網絡實驗、星地量子糾纏分發實驗和地星量子隱形傳態實驗等四大任務，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破，檢驗量子力學完備性。

 

——這些實驗將通過我國自主研發的星地量子通信設備完成，它能夠産生經過編碼的、甚至是糾纏的光子併發射到地面上，與之對接的地面系統則負責“接收光子”，這種光子的發射與接收被稱為“針尖對麥芒”。

 

這並不容易。量子衛星工程常務副總師兼衛星總指揮王建宇打了個比方：如果把光量子看成一個個1元硬幣，星地實驗就相當於要從在萬米高空飛行的飛機上，不斷把上億個硬幣發射到地面上一個不斷旋轉的儲蓄罐上，這不但要求硬幣瞄準精度，擊中儲蓄罐，而且要使得硬幣能夠準確地、源源不斷地射入儲蓄罐細長的投幣口。

 

“這就要求在飛行的過程中必須始終保證精確對準，跟蹤要達到相當高的精度，這也是國際上從來沒有人做過的。”王建宇説。

 

最終，中國科學家成功研製出量子衛星，潘建偉説，這不僅是我國量子保密通信領域“殺手锏”技術研發的重大突破，實現了從跟隨創新到引領創新、從集成創新到原始創新的跨越，同時也是世界量子通信技術的重要創新，它有望使人類科技發展史上“最安全的通信手段”具備覆蓋全球的能力。

 

(4)天地一體化的量子通信網絡

 

——向覆蓋全球的量子保密通信網絡衝擊

 

那麼，為何我國能先於歐美而發射量子衛星？潘建偉説，當大多數人仍致力於實驗室內部的原理性演示時，他們的團隊已經開始思考如何能夠在太空中實現量子信息傳輸，並早在2003年就初步構想了量子衛星計劃——“在行動上，我們並不落後於其他國家”。

 

如今，衛星成功發射。不少門外漢經常有一種誤讀，即衛星上了天，就意味著關於量子衛星的事情到此結束了，但事實上，對科學家而言，衛星上天后，量子通信之路才剛剛開始。

 

“這不僅是因為量子衛星需要在未來兩年做各種天地之間的實驗，更是因為，要實現全球化量子通信，還需要長期的努力，特別是需要多顆衛星的組網。”量子衛星科學應用系統總師兼衛星系統副總師、中國科大微尺度物質科學國家實驗室研究員彭承志説。

 

彭承志認為，在首顆量子衛星發射成功、衛星組網的關鍵技術得以突破後，中國還將發射多顆衛星，計劃到2020 年，實現亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發，建成連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網；到2030 年左右建成全球化的廣域量子通信網絡。

 

而根據潘建偉的設想，衛星成功發射之後，同樣由他牽頭承擔的世界上第一條遠距離量子通信保密幹線“京滬幹線”，也將於今年下半年開通。

 

屆時，一星一地，交相呼應。

 

潘建偉説，這兩大工程的配合，有望實現高速星地量子通信、並連接地面的城域量子通信網絡，初步構建成我國天地一體化的量子通信網絡雛形，並最終將目標設定為建立一個覆蓋全國甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信網絡。

 

他還表示，隨著中國科技的迅猛發展，他相信量子通信將在不到10 年的時間裏輻射千家萬戶。“期盼在我有生之年，能親眼目睹以量子計算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯網的誕生。”他説。