量子科学实验卫星助力通信安全

时间:2022-06-15 04:04:27

量子科学实验卫星助力通信安全

北京时间2016年8月16日1时40分,我国在酒泉卫星发射中心用“长征二号丁”运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星――“墨子号”发射升空。2016年8月17日11时56分,中国遥感卫星地面站密云站成功跟踪、接收到了“墨子号”的首轨数据,人类首次实现卫星和地面之间的量子通信。这不仅是量子通信研究走向实用化的标志,也是我国在量子通信领域后来居上的里程碑。

奇妙的量子纠缠

量子力学和相对论是现论物理学的两个根基。众所周知,爱因斯坦是相对论的创始人,但鲜为人知的是,他也是量子力学的先驱。随着量子力学的发展,爱因斯坦发现,在量子世界中,处于纠缠态的两个粒子,无论其相距多远,都存在某种神秘的“心电感应”,一个粒子的状态发生改变之后,另一个粒子的状态瞬间也会发生相应的变化,这就是奇妙的量子纠缠效应。但相对论的相关理论同时也表明,物体运动或是信息传递是无法超越光速的,那么这两个量子又是如何建立通信的呢?

量子纠缠的奇异性不仅在于它超越了空间,同时让人疑惑的还有它的不确定性。这好比两个黑箱中存放着一对既黑又白的“黑白球”,同常见的非黑即白的情况不同,打开黑箱的瞬间会随机出现黑球或白球。这种不确定性加上奇异的超距作用,让爱因斯坦这样的大科学家也开始怀疑起量子力学的科学性。

不过,经过科学家多年的验证,这种幽灵般的纠缠效应确实是存在的。密码学家认为,奇妙的量子纠缠效应能够为通信提供得天独厚的随机密钥,建立起牢不可破的保密通信系统――量子通信。

“墨子号”翱翔天际

墨子最早提出光线沿直线传播,并设计了小孔成像实验,他是我国科学研究的先驱。作为全球首颗量子科学实验卫星,“墨子号”正是由此得名。

量子通信应用了量子纠缠效应,由于纠缠态量子的不确定性,因此将其用于量子通信产生的密钥也是完全随机的,且能保证一次一密。一旦密钥被截获,量子的状态就会发生改变,而接收者则能根据密钥出错的概率察觉到被窃听,这就保证了量子通信加密的信息无法被破译。

尽管量子通信的保密性毋庸置疑,但在地面上,由于量子在地面光纤网络等介质中传输的损耗,有限的传输距离逐渐成为困扰量子通信的拦路虎。通过发射量子科学实验卫星,数十千米的大气层对量子的损耗要比光纤等介质小很多,因此保障了量子纠缠源能在更大范围内实现稳定的远距离量子通信。

量子科学实验卫星“墨子号”高约1.7米,重约640千克,在约500千米高度的近地轨道上运行。它上面搭载了量子纠缠源、量子纠缠发射机、量子密钥通信机和量子实验控制和处理机,整个系统正是通过制备和分发纠缠态的光量子成功实现量子通信。“墨子号”在发射后,还将与建在北京兴隆、新疆南山、青海德令哈、云南丽江的4个量子通信地面站和建在阿里的量子隐形传态实验站进行通信对接,进行一系列的量子科学和通信安全实验。在高速运动的“墨子号”上,它产生的两个纠缠光量子将分别奔向相距上千千米的地面站,这远远超过了“针尖对麦芒”所需的高精度。整个过程必须保证精确的对准,这也在一定程度上反映了“墨子号”在设计上的精细度。

广域量子网络指日可待

“墨子号”的顺利升空,开启了我国量子通信工作的新纪元,但这也仅仅是万里长征的第一步。在现有的技术能力下,量子通信技术仅能够达到点对点数百千米量级的量子通信。要想建立更长距离的连接,就需要建立起若干具有信息中转作用的中继站点。今年年底,我国将建立起北京、济南、合肥、上海4个量子通信城域网,可以在北京和上海之间实现总长数千千米的量子通信,这将构成全球首条量子保密通信干线――“京沪干线”。连接地面上各个城市、各个信息传输点的“京沪干线”与空间的量子科学卫星将共同构成广域量子通信网络。卫星在天上,量子通信干线在地上,天地之间默契配合,从而顺利实现广域的量子通信。伴随着“京沪干线”量子通信干线的运行,量子通信也将在金融、军事、政务等领域的信息传输上有更多的应用。

人类正在步入量子信息的崭新时代。也许在不久的将来,量子通信将走进千家万户,为人们日常的网络通信操作,如网上银行业务、网络支付、手机支付带来安全性保障,到那时,量子通信这一“绝对安全”的信息传递手段也将为社会发展注入新的能量。

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