郭岱喬

摘 要：探討近代物理學(xué)的發(fā)展對量子技術(shù)應(yīng)用的理論基石作用，說明量子通訊理論、優(yōu)勢、發(fā)展歷史和前景展望，并從我國量子衛(wèi)星發(fā)射中看出我國在量子通訊領(lǐng)域所具有的優(yōu)勢中進(jìn)一步鼓舞物理學(xué)理論研究。

關(guān)鍵詞：墨子號;量子衛(wèi)星;量子糾纏;量子密鑰;物理學(xué)

中圖分類號： TN219 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2016）30-100-2

0 ?引言

物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的一種自然科學(xué)，研究對象大至宇宙，小到基本粒子的質(zhì)量、運(yùn)動形式和規(guī)律等內(nèi)容。量子衛(wèi)星可謂是物理學(xué)中極大的天體物理和極小的量子力學(xué)理論的綜合應(yīng)用，意義重大。下面我想從2016年8月16日我國發(fā)射的全球首科量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”來談?wù)剬ξ锢韺W(xué)中量子物理發(fā)展的一些思考。

1 ?“墨子號”的由來

作為全球三大古老邏輯體系之一的墨家邏輯中的經(jīng)典著作《墨經(jīng)》中提出的“光學(xué)八條”中描述了墨子對光線的認(rèn)識，并成功設(shè)計(jì)了樸素的小孔成像實(shí)驗(yàn)，奠定了中國光學(xué)研究的基礎(chǔ)，所以我國發(fā)射的全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星被命名為“墨子號”以紀(jì)念墨子先生。

2 ?為何發(fā)展量子通信技術(shù)和通訊優(yōu)勢

我們知道，20世紀(jì)初，量子力學(xué)的基礎(chǔ)知識剛剛被奠定的時(shí)候，它帶給人們一種啟示，雖然它會時(shí)常使人感到困惑，因?yàn)榱孔恿W(xué)在微觀世界里已經(jīng)打敗了經(jīng)典力學(xué)古老的確定論，反復(fù)的討論可能性、可能結(jié)果的疊加。

我們假設(shè)一個(gè)物理量存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子，所以我們常用量子去指一個(gè)不可分割的基本個(gè)體，例如“光的量子”是光的基本單位光子。當(dāng)然，所有可量子化的物理量其最小單位是特定的，而不是任意值。20世紀(jì)的前一半時(shí)期許多物理學(xué)家將量子力學(xué)視為了解和描述自然的基本理論，發(fā)展出了量子光學(xué)、量子計(jì)算等不同專業(yè)領(lǐng)域來研究。

量子計(jì)算領(lǐng)域利用量子效應(yīng)來控制和處理信息，它具有驚人的潛力，因?yàn)榻?jīng)典數(shù)據(jù)的二進(jìn)制“比特”一次只能取一個(gè)值，而量子的“量子比特”能夠在給定范圍內(nèi)代表任意及所有可能的取值：在被測量以前，它以所有的可能太的“疊加”形式存在。量子計(jì)算特別適合用于解決今天只能依靠“強(qiáng)力”處理器能力來解決的特殊問題—比如，幾十個(gè)量子比特陣列就能夠存儲超過太字節(jié)（萬億）的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)量。[3]

因此發(fā)展量子通信技術(shù)的優(yōu)勢非常明顯，前景廣闊。

3 ?“墨子號”工作的理論基礎(chǔ)

1917年G.Vernam提出了“一次一密”（One-Time Pad）密碼體制[1][2]，C.E.Shannon于1949年用信息論證明了該密碼體制是無條件安全的[1][2]，這是目前唯一被證明是絕對安全的密碼體制。

由于量子信號的攜帶者光子在外層空間傳播時(shí)幾乎沒有損耗，如果能夠在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)糾纏光子再穿透整個(gè)大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性，人們就可以在衛(wèi)星的幫助下實(shí)現(xiàn)全球化的量子通信。此次發(fā)射的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星完全由我國自主研發(fā)，突破了衛(wèi)星平臺、有效載荷、地面光學(xué)收發(fā)站等一系列關(guān)鍵技術(shù)，將在軌開展量子密鑰分發(fā)、廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)、量子糾纏分發(fā)、量子隱形傳態(tài)、星地告訴相干激光通信等科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

潘建偉研究小組在2003年開始研究自由空間量子通信，他們在實(shí)驗(yàn)點(diǎn)制備出成對的糾纏光子，再利用兩個(gè)專門設(shè)計(jì)加工的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡將容易發(fā)散的細(xì)小光束“增肥”后向東西相距13公里的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)站送出，兩個(gè)接收端用同樣型號的望遠(yuǎn)鏡收集。

量子衛(wèi)星和地球通信是雙向的。衛(wèi)星和地面站都擁有發(fā)射端和接收端。發(fā)射端包含單光子光源和光束整形系統(tǒng)，接收端包含單光子探測器和成像系統(tǒng)。光束整形系統(tǒng)和成像系統(tǒng)把點(diǎn)光源變成平行光并將其匯聚到焦點(diǎn)上。發(fā)射端和接收端是靠激光聯(lián)系，它們之間有個(gè)大氣層——它是目前較大的麻煩。

經(jīng)過研究人員的種種努力，在如此遠(yuǎn)距離的傳送中，雖有許多糾纏光子衰減，但仍有相當(dāng)比例的“夫妻對”能存活下來并有旺盛的生命力，經(jīng)單光子探測器檢測，分居?xùn)|西兩地的光子“夫妻對”即使相距遙遠(yuǎn)仍能保持相互糾纏狀態(tài)，攜帶信息的數(shù)量和質(zhì)量能完全滿足基于衛(wèi)星的全球化量子通信要求。

在此基礎(chǔ)上，研究小組進(jìn)一步利用分發(fā)的糾纏光源進(jìn)行絕對安全的量子保密通信。13公里不僅是目前國際上自由空間糾纏光子分發(fā)的最遠(yuǎn)距離，也是目前國際上沒有竊聽漏洞量子密鑰分發(fā)的最大距離。

4 ?我國量子通訊發(fā)展歷史和量子衛(wèi)星的前景展望

英國《自然》雜志中關(guān)于“量子太空競賽”中指出：“在量子通信領(lǐng)域，中國用了不到十年的時(shí)間，由一個(gè)了不起的國家發(fā)展成現(xiàn)在的世界勁旅，中國將領(lǐng)先于歐洲和北美......”可見我國量子通訊發(fā)展速度飛快。1995年，中科院物理所吳令安小組在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了我國最早的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)演示。2000年，該小組又與中科院研究生院合作利用單模光纖完成了1.1公里的量子密鑰分發(fā)演示實(shí)驗(yàn)。2002年至2003年間，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)Gisin小組和我國華東師范大學(xué)曾和平小組分別在67公里和50公里光纖中演示了量子密鑰分發(fā)。2006年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上首次利用誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)了安全距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，2009年，該團(tuán)隊(duì)又在世界上率先將采用誘騙態(tài)方案的量子通信距離突破至200公里。2013年，潘建偉團(tuán)隊(duì)又在核心量子通信器件研究上取得重要突破，他們成功開發(fā)了國際上迄今為止最先進(jìn)的室溫通信波段單光子探測器，并利用該單光子探測器在國際上首次實(shí)現(xiàn)了測量器件無關(guān)的量子通信，成功解決了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中單光子探測系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現(xiàn)實(shí)條件下量子通信系統(tǒng)的安全性。2016年8月16日我國發(fā)射的全球首科量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”這既是中國首個(gè)、也是世界首個(gè)量子衛(wèi)星。

在我國，量子通信技術(shù)從基礎(chǔ)研究向應(yīng)用技術(shù)轉(zhuǎn)化邁進(jìn)，面對國際上科技巨頭，如IBM、Bell實(shí)驗(yàn)室、德國西門子公司等都紛紛投入量子通信的產(chǎn)業(yè)化研究之時(shí)。我國將利用量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，作為保障未來信息社會通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，而量子密鑰極有可能會進(jìn)入普通家庭，服務(wù)于社會大眾，成為電子商務(wù)、電子醫(yī)療、軍事科技等各種電子服務(wù)的驅(qū)動器，為當(dāng)今這個(gè)高度信息化的社會提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和最可靠的安全保障。

我國未來還將發(fā)射多顆量子衛(wèi)星，預(yù)計(jì)到2020年實(shí)現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)。屆時(shí)，連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網(wǎng)也將建成，2030年左右將建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。隨著量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，量子通信將迎來巨大的市場。有人預(yù)測，國內(nèi)量子通信短期市場規(guī)模在100億至130億元左右，長期市場規(guī)模將超過千億元。

5 ?量子技術(shù)的應(yīng)用對物理學(xué)發(fā)展的一些思考

量子通信技術(shù)的發(fā)展，基礎(chǔ)是物理學(xué)理論的發(fā)展，筆者認(rèn)為21世紀(jì)是要把微觀和宏觀整體地聯(lián)系起來。這種結(jié)合對應(yīng)用科技影響深遠(yuǎn)，我們回過頭來看看，目前的科學(xué)發(fā)明在19世紀(jì)末都是很難想象的！沒有20世紀(jì)初基礎(chǔ)物理科學(xué)的發(fā)展，21世紀(jì)的科技應(yīng)用和開發(fā)也無法迅速發(fā)展，那么，發(fā)展好當(dāng)代物理理論研究應(yīng)該對今后的技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] ASSCHE G V.Quantum Cryptography and Secret-key Distillation[M].New York：Cambridge University Press，2006.

[2] SCARANI V，et al.The Security of practical Quantum key Distribution[J].Rev.Mod.Phys.，2009，81（3）：1301-1350.

[3] （英）斯帕羅（Sparrow，G.）著，孫正凡譯.物理速覽：及時(shí)掌握的200個(gè)物理知識[M].北京：人民郵電出版社，2014.