高博

量子衛(wèi)星：開啟人類保密通信新紀(jì)元

高博

一對纏繞的光子將被拆散，從太空發(fā)射到地面，開啟人類保密通信的新歷史。8月中旬，中國將發(fā)射首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星。

你粘好信封，滴蠟蓋上火印，但防不住有人拆開、讀完再復(fù)原；你想用電磁波傳遞一個秘密，但“音量”再低，也防不住精細(xì)的竊聽。最終，你設(shè)法將“音量”調(diào)低到如此程度：只發(fā)射一顆光子，任何間諜去測量都會破壞它，從而被發(fā)現(xiàn)。信息微弱到了極限——量子級別，再小心的讀取都會徹底改變它，而不可能只改變一點點。中國量子衛(wèi)星的保密原理就是如此。理論上絕對安全的密電一旦實現(xiàn)，銀行和軍隊都將獲益。

絕對保密的通信依靠量子糾纏，也就是愛因斯坦說的“幽靈般的超距離作用”來工作——兩顆光子無論相距多遠(yuǎn)，總是“心靈感應(yīng)”：一個變化，另一個就保持同步。于是一對糾纏的量子態(tài)的光子，可以被當(dāng)作鑰匙分發(fā)給北京與上海。上海讀取光子B，破壞了它“既黑又白”的量子模糊狀態(tài)，讓它顯出黑或白色；北京的光子A也將心靈感應(yīng)地破壞，呈現(xiàn)同樣顏色。如此發(fā)射和讀取一連串糾纏光子，北京和上海就能得到同樣的數(shù)列，比如“黑白白黑黑白黑白”，這就是密碼——間諜想要讀取一長串光子再原樣發(fā)送，而不被發(fā)覺的可能性為零。

量子科學(xué)家操縱激光發(fā)生器，讓一個光子分為兩個糾纏的光子——潛在的信息寄托于它們的偏振態(tài)或其他屬性，再分發(fā)到盡量遠(yuǎn)的地方并測量。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉教授等科學(xué)家經(jīng)過 20年努力后，發(fā)明了能夠長時間（毫秒級）存儲量子的中繼器。人們已經(jīng)能在地面上傳送糾纏光子跨越上百千米。奧地利曾用量子通信傳遞了銀行支票，瑞士用它傳送過大選得票信息。在中國，“北京—濟(jì)南—合肥—上海”量子通信干線已經(jīng)建立。

但無論是近地面空氣還是光纖玻璃都容易阻擋和吸收光子。因此，跨越大氣層的衛(wèi)星量子通信方案很吸引人。即將發(fā)射的中國量子衛(wèi)星質(zhì)量約 600 kg，由長征—2D火箭運(yùn)載，運(yùn)行于500 km太陽同步軌道。衛(wèi)星攜帶的一塊晶體將制造激光和一對糾纏光子，并且將他們分發(fā)到兩個地面站。

為了讓單個光子傳送數(shù)百公里，穿越大氣還能鉆進(jìn)地面接收器，中國量子衛(wèi)星必須時刻矯正位置，保持精確朝向兩個地面目標(biāo)，這也是世界上未曾達(dá)到的精細(xì)度。傳輸錯誤率也得相當(dāng)?shù)?，才能保證通信可行。接下來兩年，中國科學(xué)家將測試被分發(fā)到相距成千、甚至上萬公里的一對糾纏的光子能否保持糾纏——理論預(yù)言是可以的，但誰也沒做過。

飛機(jī)和地面之間的量子通信已經(jīng)實驗成功。而近兩年，意大利、新加坡和英國的科學(xué)家也曾利用衛(wèi)星探索天地量子通信的可行性，已制造出互相關(guān)聯(lián)的成對光子——糾纏光子的前一步。而中國則是第一個發(fā)射量子通信衛(wèi)星試圖驗證整個流程的國家。

如果這次量子衛(wèi)星實驗成功，中國量子通信網(wǎng)下一步將試圖連接中國和歐洲，并在 2030年擴(kuò)充成 20顆衛(wèi)星規(guī)模的全球網(wǎng)絡(luò)。但近年來也有科學(xué)家撰文指出量子通信系統(tǒng)的一些安全漏洞，盡管不是量子加密方式本身的問題：比如中繼站在接收和發(fā)送之間存在信息截獲的可能，這是中國科學(xué)家要設(shè)法避免的。?

【作者單位：科技日報】

（摘自《科技日報》2016-08-15 第01版）

責(zé)任編輯：吳曉麗