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量子卫星:开启人类保密通信新纪元
发布时间: 2016-08-16    浏览次数:327   发布者:道器网   来源:腾讯太空   点击评论

一对缠绕的光子将被拆散,从太空发射到地面,开启人类保密通信的新历史。8月中旬,中国将发射首颗量子科学实验卫星。

你粘好信封,滴蜡盖上火印,但防不住有人拆开、读完再复原;你想用电磁波传递一个秘密,但“音量”再低,也防不住精细的窃听。最终,你设法将“音量”调低到如此程度:只发射一颗光子,任何间谍去测量都会破坏它,从而被发现。信息微弱到了极限——量子级别,再小心的读取都会彻底改变它,而不可能只改变一点点。中国量子卫星的保密原理就是如此。理论上绝对安全的密电一旦实现,银行和军队都将获益。

绝对保密的通信依靠量子纠缠,也就是爱因斯坦说的“幽灵般的超距离作用”来工作——两颗光子无论相距多远,总是“心灵感应”:一个变化,另一个就保持同步。于是一对纠缠的量子态的光子,可以被当作钥匙分发给北京与上海。上海读取光子B,破坏了它“既黑又白”的量子模糊状态,让它显出黑或白色;北京的光子A也将心灵感应地破坏,呈现同样颜色。如此发射和读取一连串纠缠光子,北京和上海就能得到同样的数列,比如“黑白白黑黑白黑白”,这就是密码——间谍想要读取一长串光子再原样发送,而不被发觉的可能性为零。

量子科学家操纵激光发生器,让一个光子分为两个纠缠的光子——潜在的信息寄托于它们的偏振态或其他属性,再分发到尽量远的地方并测量。中科大的潘建伟教授等科学家经过20年努力后,发明了能够长时间(毫秒级)存储量子的中继器。人们已经能在地面上传送纠缠光子跨越上百公里。奥地利曾用量子通信传递了银行支票,瑞士用它传送过大选得票信息。在中国,“北京—济南—合肥—上海”量子通信干线已经建立。

但无论是近地面空气还是光纤玻璃都容易阻挡和吸收光子。因此跨越大气层的卫星量子通信方案很吸引人。即将发射的中国量子卫星质量约600千克,由长征—2D火箭运载,运行于500千米太阳同步轨道。卫星携带的一块晶体将制造激光和一对纠缠光子,并且将他们分发到两个地面站。

为了让单个光子传送数百公里,穿越大气还能钻进地面接收器,中国量子卫星必须时刻矫正位置,保持精确朝向两个地面目标,这也是世界上未曾达到的精细度。传输错误率也得相当低,才能保证通信可行。接下来两年,中国科学家将测试被分发到相距成千、甚至上万公里的一对纠缠的光子能否保持纠缠——理论预言是可以的,但谁也没做过。

飞机和地面之间的量子通信已经实验成功。而近两年,意大利、新加坡和英国的科学家也曾利用卫星探索天地量子通信的可行性,已制造出互相关联的成对光子——纠缠光子的前一步。而中国则是第一个发射量子通信卫星试图验证整个流程的国家。

如果这次量子卫星实验成功,中国量子通信网下一步将试图连接中国和欧洲,并在2030年扩充成20颗卫星规模的全球网络。但近年来也有科学家撰文指出量子通信系统的一些安全漏洞,尽管不是量子加密方式本身的问题:比如中继站在接收和发送之间存在信息截获的可能,这是中国科学家要设法避免的。

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