“墨子號(hào)”：夜空中最會(huì)保密的“星”

8月16日凌晨，伴隨著世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在酒泉圓滿(mǎn)發(fā)射成功，中國(guó)人的“飛天”夢(mèng)想再次綻放，從此，浩瀚星空里也多了一份屬于中國(guó)和世界的“量子”牽掛。

8月16日1時(shí)40分，備受矚目的以“墨子號(hào)”命名的全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在酒泉成功發(fā)射升空?！澳犹?hào)”量子衛(wèi)星成為浩瀚夜空中最亮的“星”，開(kāi)啟為期兩年的太空科學(xué)旅程。

星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)等多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的主要任務(wù)。業(yè)內(nèi)人士指出，此次發(fā)射任務(wù)的圓滿(mǎn)成功，將使我國(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。有媒體稱(chēng)，在這場(chǎng)“特殊的太空競(jìng)賽”中，中國(guó)“邁出了一大步”。

科學(xué)之路任重道遠(yuǎn)，量子世界迷霧重重，“第一顆量子衛(wèi)星”的頭銜來(lái)之不易。從最初的研制到發(fā)射，量子衛(wèi)星承載了太多關(guān)注的目光與期許。那么，這顆舉世矚目的“新星”到底有多牛？技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度又有多高？

信息安全的“終極武器”

量子科學(xué)對(duì)絕大多數(shù)人來(lái)說(shuō)十分高冷。但當(dāng)它與信息技術(shù)相連，就與我們每個(gè)人息息相關(guān)。當(dāng)今社會(huì)，信息的海量傳播背后也充斥著信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)。而量子科學(xué)則為信息安全提供了“終極武器”。

在物理王國(guó)里，量子理論是一個(gè)“百歲的幽靈”，愛(ài)因斯坦也曾被它的“詭異”所困擾。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(tīng)就必然會(huì)被發(fā)送者察覺(jué)并規(guī)避。

“傳統(tǒng)的信息安全都依賴(lài)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(wèn)題?！绷孔涌茖W(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士說(shuō)。

潘建偉形象地比喻，量子通信的基本特征就是利用微光世界的最小單元，比如15瓦的燈泡，每秒都會(huì)發(fā)射一些能量，如果用放大鏡來(lái)看它是由小顆粒組成，大概每秒鐘可以釋放百億個(gè)小顆粒。如果在量子通信中將這種小顆粒用來(lái)做信號(hào)，就不能被分割成半個(gè)小顆粒，就像水分子一樣，不能分成1/2個(gè)水分子。

量子保密通信能從三個(gè)方面保障信息安全。第一，發(fā)送者和接收者之間的信息交互是安全的，不會(huì)被竊聽(tīng)或盜取。第二，“主仆”身份能自動(dòng)確認(rèn)，只有“主人”才能使喚“仆人”，而其他人無(wú)法指揮“仆人”。第三，一旦發(fā)送者和接收者之間的傳遞口令被惡意篡改，使用者會(huì)立刻知曉，從而重新發(fā)送和接收指令。

“四種武器”挑戰(zhàn)四大實(shí)驗(yàn)任務(wù)

8月17日，中科院遙感與數(shù)字地球研究所所屬中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站密云站，在第二十三圈次成功跟蹤、接收到了量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”的首軌數(shù)據(jù)?！澳犹?hào)”首軌任務(wù)時(shí)長(zhǎng)約7分鐘，接收到的數(shù)據(jù)量約為202MB，經(jīng)驗(yàn)證，衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

據(jù)悉，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星上搭載了自主研發(fā)的“四種武器”：量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源和量子試驗(yàn)控制與處理機(jī)。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)。

這顆量子衛(wèi)星的壽命為兩年，將完成四大任務(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)、星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)和地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。

潘建偉介紹，實(shí)驗(yàn)大致分為三類(lèi)：第一類(lèi)是進(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；第二類(lèi)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(lèi)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面千公里量級(jí)的量子態(tài)隱形傳輸。

但要完成“作業(yè)”并不輕松。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)星的研制沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)可循，過(guò)程充滿(mǎn)了困難和挑戰(zhàn)。

天地一體化連通：從太空向地面存錢(qián)罐扔硬幣

在量子通信中，最大的難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)天地一體化的量子聯(lián)通。這就好比在太空往地面的一個(gè)存錢(qián)罐里扔硬幣，需要準(zhǔn)確地將硬幣投擲于儲(chǔ)蓄罐的狹小入口。如果出現(xiàn)一點(diǎn)偏差，信息的傳遞便會(huì)功虧一簣。

“量子的編碼就像計(jì)算機(jī)編碼0101一樣，有正負(fù)、垂直、水平等不同狀態(tài)，要把量子的偏振方向檢測(cè)出來(lái)，才能變成密碼?！绷孔涌茖W(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星常務(wù)副總設(shè)計(jì)師、衛(wèi)星總指揮王建宇介紹，量子里面有兩組狀態(tài)，一組是正交的，一組是傾斜45度的，所以，一共有四個(gè)不同的偏正狀態(tài)。

不僅如此，地面上的“存錢(qián)罐”（接收裝置）和天空中的“投擲者”（量子衛(wèi)星）也不安分，它們都在不停地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

“這就是瞄準(zhǔn)和檢測(cè)偏正的最大難度所在，我們要在雙方都處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的情況下完成信息傳遞?！蓖踅ㄓ顝?qiáng)調(diào)，稍微對(duì)不上都不行，如果這樣，地面上收到的就是誤碼。

據(jù)王建宇介紹，一旦誤碼率高于3.5%，信息傳輸就沒(méi)有意義?！?.5%是個(gè)底線(xiàn)，通常我們會(huì)把誤碼率控制在1%至2%之間?！?/p>

探測(cè)器靈敏度：在地球上看到月球的火柴光

如果說(shuō)從太空向地面存錢(qián)罐扔硬幣已經(jīng)讓人咋舌，那接下來(lái)的技術(shù)則更讓人驚嘆。

量子衛(wèi)星采用的是單光子探測(cè)器，目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)光子的捕捉。這是一個(gè)什么概念？

“一個(gè)60瓦的燈泡每秒發(fā)射的光子數(shù)大約是1021，而一根火柴的最大光亮大約是3瓦至5瓦?！蓖踅ㄓ钫f(shuō)，量子衛(wèi)星探測(cè)器靈敏度相當(dāng)于在月球上點(diǎn)根火柴，我們?cè)诘厍蛏嫌猛h(yuǎn)鏡可以看到它的亮光。

如果考慮到火柴點(diǎn)燃后光的擴(kuò)散效應(yīng)，其觀測(cè)難度可想而知?！疤綔y(cè)器的靈敏度必須達(dá)到這種程度，才能捕獲來(lái)自太空中的一顆顆光子。否則，天上的量子衛(wèi)星就沒(méi)有存在的意義了?！蓖踅ㄓ钫f(shuō)。

時(shí)間同步設(shè)置：一秒鐘給一億個(gè)光子排排隊(duì)

在太空中，量子衛(wèi)星每秒鐘大約向地面發(fā)射一億個(gè)光子，需要地面接收裝置對(duì)所有光子進(jìn)行接收。然而，這個(gè)接收過(guò)程并非來(lái)者不拒，而是要講究先來(lái)后到。

“我們必須知道每個(gè)光子是第幾個(gè)發(fā)出來(lái)，信息傳遞要求發(fā)送端和接收端能對(duì)得上，要有一個(gè)完整的序列?！蓖踅ㄓ钫f(shuō)。

將光子們一一對(duì)接的辦法就是時(shí)間同步?！拔覀儸F(xiàn)在的接收頻率能做到一個(gè)納秒，也就是在一秒鐘之內(nèi)，把一億個(gè)光子全都排列好?！蓖踅ㄓ罱榻B。

為何取名為“墨子”

對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)，量子科學(xué)非常神秘，而世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星命名為“墨子號(hào)”也讓很多人迷惑不解——墨子不是先秦諸子百家中墨家的創(chuàng)始人嗎，他跟量子有什么關(guān)系？

“墨子號(hào)”之得名，是為了紀(jì)念墨子在早期物理光學(xué)方面的成就，他最早提出過(guò)光線(xiàn)沿直線(xiàn)傳播的觀點(diǎn)，進(jìn)行了小孔成像實(shí)驗(yàn)?！瓣P(guān)于這顆衛(wèi)星的命名，我們考慮了好久?！迸私▊フf(shuō)，最終命名為“墨子號(hào)”，緣起于已故著名教育家、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授錢(qián)臨照。

錢(qián)臨照作為老一輩光學(xué)、科技史研究者，早年對(duì)墨家經(jīng)典著作《墨經(jīng)》有過(guò)深入研究，他對(duì)《墨經(jīng)》的研究發(fā)現(xiàn)被英國(guó)學(xué)者李約瑟獲悉，后者對(duì)此驚嘆不已。錢(qián)臨照發(fā)現(xiàn)《墨經(jīng)》中有不少與現(xiàn)代科學(xué)知識(shí)相通的記載，比如墨子在《墨經(jīng)》中提出的“光學(xué)八條”。

“墨家邏輯是全球三大古老邏輯體系之一，而邏輯體系是科學(xué)的基礎(chǔ)。”潘建偉說(shuō)，墨子在兩千多年前就發(fā)現(xiàn)了光線(xiàn)沿直線(xiàn)傳播，并設(shè)計(jì)了小孔成像實(shí)驗(yàn)，奠定了光通信、量子通信的基礎(chǔ)。

墨子的貢獻(xiàn)還遠(yuǎn)不止于此，用一代宗師、中國(guó)思想史研究專(zhuān)家楊向奎先生的話(huà)來(lái)說(shuō)：“墨子在自然學(xué)上的成就，絕不低于古希臘的科學(xué)家和哲學(xué)家，甚至高于他們。他個(gè)人的成就就等于整個(gè)希臘?！?/p>

“就像國(guó)外有伽利略衛(wèi)星、開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡一樣，以中國(guó)古代偉大科學(xué)先賢的名字來(lái)命名全球首顆量子衛(wèi)星，將提升我國(guó)的文化自信。”潘建偉說(shuō)。

“量子星群”引領(lǐng)量子互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代

據(jù)專(zhuān)家介紹，量子衛(wèi)星發(fā)射后，天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將投入正式運(yùn)行，而“京滬干線(xiàn)”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程預(yù)計(jì)今年下半年交付。

“大規(guī)模推廣量子通信應(yīng)用后，將極大提高人們信息傳輸?shù)乃矫苄院桶踩??！迸私▊フf(shuō)，建好“量子互聯(lián)網(wǎng)”后，人們不用再擔(dān)心任何信息泄露，從而避免惡意攻擊和欺詐行為。

信息安全從根本上需要解決的就是傳輸內(nèi)容不被別人知道、保證接收者是和發(fā)送者對(duì)話(huà)，以及信息不被篡改。潘建偉說(shuō)，僅僅發(fā)射一顆衛(wèi)星是不夠的，只有形成星座才能建構(gòu)起網(wǎng)絡(luò)，而且需要地面配置相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施，確保網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接到千家萬(wàn)戶(hù)。

“比如，將來(lái)可以在手機(jī)中植入量子加密芯片，用來(lái)接收并存儲(chǔ)密鑰?！迸私▊ッ枋隽艘环磥?lái)場(chǎng)景，人們只需要將手機(jī)和量子密鑰分發(fā)機(jī)連接，就能實(shí)現(xiàn)保密通信?！耙叩竭@一步，還需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造，制定通信標(biāo)準(zhǔn)等，有望10年至15年內(nèi)實(shí)現(xiàn)?！?/p>

得益于這種絕對(duì)安全性，量子通信不僅可以應(yīng)用于百姓日常通信，也可用于水、電、煤氣等能源供給和民生網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的通信保障，還可應(yīng)用于國(guó)防、金融、商業(yè)等領(lǐng)域，勢(shì)必對(duì)產(chǎn)業(yè)界和科技界產(chǎn)生巨大變革。（本刊綜合）※

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“墨子號(hào)”大事記

2009年12月，空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)參加戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施方案評(píng)議會(huì)，并在16個(gè)建議專(zhuān)項(xiàng)中名列前三名。

2011年12月23日，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程啟動(dòng)暨動(dòng)員會(huì)在京召開(kāi)，標(biāo)志著量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星正式進(jìn)入工程研制階段。

2014年12月30日，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星通過(guò)初樣轉(zhuǎn)正樣階段評(píng)審，正式轉(zhuǎn)入正樣研制階段。

2015年12月6日，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)與科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)完成星地光學(xué)對(duì)接試驗(yàn)，驗(yàn)證了天地一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能滿(mǎn)足科學(xué)目標(biāo)的指標(biāo)要求。

2016年2月25日，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程完成大系統(tǒng)聯(lián)試。

2016年8月16日1時(shí)40分，我國(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。