【大发一分快三-极速一分快三官方】量子卫星有多成功,科学家怎么说?|卫星|能源

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  作者:林梅   来源:知识分子

  国际同行如何看“墨子”

  2016年8月16日深更深更半夜1:41,备受瞩目的中国首颗量子科学实大发一分快三-极速一分快三官方验卫星“墨子”在酒泉成功发射升空。

  这颗卫星肩负着如何的使命?它的科学价值是你这名 ?全球的量子信息研究格局不是会也不改变?国际同行如何看待全球首颗量子科学实验卫星的发射?

  《知识分子》特邀次要国际同行对全球首颗量子科学实验卫星发表评论。

  对于量子信息研究来说,地面上的量子通信应大发一分快三-极速一分快三官方用进展没人快,但自由空大发一分快三-极速一分快三官方间量子通信还很落后,你这名你这名卫星在太空中实现量子通信实验是另另一十大发一分快三-极速一分快三官方个 巨大的进步。

  中国的量子空间卫星将为全球量子通信系统提供另另一十个 试验台。事实上,此次太空中有 你这名开放的实验项目你这名人 是很感兴趣的。

  我前要 ,空间量子通信最初也不特别像早期的人造卫星,比较笨拙——被称为“无用的大块铁”,但一段时间后,就会变得像彩虹般有趣,提供你这名你这名有用的服务和信息。

  你这名人 正在与QUESS(Quantum Experiments at Space Scale,空间尺度的量子实验)的团队进行商务合作,你这名人 负责搭建欧洲的地面站。商务合作进行得很顺利。在我看来,中国和奥地利之间实现洲际量子密钥整理将是最有趣的。未来,全球范围的量子互联网必然包括地面网络连接和空间网络连接,而QUESS将首次提供洲际网络链接。

  这是首次实现全球尺度下的量子通信,是迈向未来量子互联网的重要一步。另外,它将提供迄今为止最大尺度的量子纠缠验证,未来也不运行顺利,它也还会为相对论的验证提供重要信息。

  中国在基础量子实验及其应用领域都做得非常出色。在下一次量子革命中,中国无疑是另另一十个 主要参与者。

  在太空上远距离地对量子力学的预测进行检验,我认为这将是非常有趣的一项试验。我特别感兴趣的是(即便在这颗卫星上无法实现),也不你类观测员进行“贝尔-EPR”的测试[1];假设你这名人 的报告并能得出明确的结果,没人这就会为客观的定域性理论等此类问題的“棺材”上钉上最后三根钉子。

  也不此次量子科学实验卫星上的实验并能获得成功,没人它肯定会为最终的“量子互联网”打下坚实的基础。但量子互联网不是将成为未来全球通信的潮流?我认为,量子互联网不是会建立起来,这取决于国际社会是宣告为你这名 系统的收益不是大于成本。

  (以上引自Anthony J。 Leggett接受《科学新闻》时给出的评论,《知识分子》获《科学新闻》授权使用。)

  从原理到应用角度解读中国首颗量子科学实验卫星

  “也不能弄明白为你这名 会有量子纠缠,我立即死都想要。”中国科学技术大学物理学教授潘建伟不久前在央视《开讲啦》曾原来表示。

  20多年前,潘建伟因对量子力學會迷而选用了从事量子光学、量子信息和量子力学基础问題检验的研究。

  “墨子”的升空,在科学上将进一步检验量子力学基本原理。

  在人类科学史上,也不没人另另一十个 学科像量子力学原来,几乎动用了近代所有物理学家的健康智慧,其本质仍在幽暗中闪烁,令人困惑。

  “也不谁不为量子论而感大发一分快三-极速一分快三官方到困惑,那他也不我没人理解量子论。”

  说这话的人有的是别人,是量子物理学大师级人物——尼尔斯·玻尔(Niels Henrik David Bohr)。

  在量子的世界里,盒子里的一只猫都并能既死又活,直至你这名人 打开盒子看看它;相距遥远的一对粒子都并能处在“心灵感应”,另另一十个 粒子的请况随原来瞬时变化。前者,你这名人 叫它“量子叠加”,而后者,则是“量子纠缠”。

  量子态叠加是指粒子都并能同去处在不止并不是请况的相干叠加。这类,同一时刻,电子自旋方向都并能既是顺时针又是逆时针,也不原子同去处在激发态和基态[2]。而量子纠缠是指,另另一十个 微观世界的粒子都并能具有并不是请况上的关联,无论它们距离多远,也不我其中另另一十个 被测量到处在并不是请况,原来也会在同去塌缩到并不是请况。

  量子世界里这并不是中有 神秘色彩的性质让无数物理学家为之着迷。在探寻其本质的道路上,世界上最顶尖的大脑同去推动着量子物理革命的处在,经典物理的大厦轰然倒塌。人类花了百年的时间,试图探究量子世界的图景。

  1 量子密钥的应用

  科学家现在还无从得知量子叠加的机制,但你这名 问題早已被实验证实并走向应用,其中,量子密钥是发展最为迅猛的另另一十个 。

  在人类的通信史上,信息传递得没人快、更远、更安全、更高效,老是是人类追求的方向。而以量子理论为基础的量子通信技术,以其绝对的保密性能,被看作是未来保障信息安全的有力工具。

  所谓密钥,顾名思义,也不我用来加密和解密的密码本,你这名人 都并能想象成用来加锁和解锁的钥匙。

  在传统的密码学中,采用的密钥有并不是——公钥和私钥。私钥是并不是对称密钥——加密的人和解密的人用同一套密码,好比加锁和解锁的人用同一把钥匙。你这名 措施有另另一十个 致命不够,那也不我即使不惜耗费资源,一次一密,也太难保证这把钥匙半路不被人偷看、好友克隆。你这名你这名,在实际应用中,公钥是更普遍的选用,它是并不是非对称密钥,加锁和解锁用的钥匙不一样,解密用的密码前要对公钥进行大数分解这类的简化算法并能得到,也也不我说,你这名 秘钥即使被窃听好友克隆也没关系,它的安全性依赖于简化的算法,理论上窃听者破解起来前要成千上万年。

  也不随着窃听者计算能力的提高,特别是量子计算机一旦成为现实,你这名 简化的算法破解起来很也不易如反掌。如何会会办?有量子计算机,有的是量子密钥。

  与传统私钥不同的是,量子密钥的密码本再也偷不走,也不你这名 密码本是由微观量子态表示的量子密码。

  根据量子物理的基本原理,微观量子态不可分割、不可好友克隆,就比如盒子里那只既死又活的猫,你一旦打开盒子看,猫就要么死要么活,再有的是的是原来那种既死又活的请况了,你这名 性质从原理上保证了量子密钥的安全性。

  以著名的BB84协议[3]为例,信息的发送方发送另另一十个 个单光子给接收方,接收方收到光子后,逐个进行测量。对于微观量子态来说,测量措施会影响测量结果,接收方不到用与发送方一致的测量措施,并能得到与发送方一致的结果。你这名你这名,接收方将接收每另另一十个 光子时的测量措施告诉发送方。发送方通过对比,保留下与我本人测量措施相同的你这名 光子,告诉接收方,这就形成了量子密钥。根据不可好友克隆原理,也不一帮人中途对光子进行拦截和测量,会改变光子的请况,窃听行为也就无法得逞。

  也不,到目前为止,量子通信实际上指的也不我量子密钥分配技术,也也不我传送密钥。对通信双方来说,也不我交换并确认共享了绝对安全、且随时都并能更换的密钥,再用此密钥对数据进行加密,没人即使在普通网络上传送理论上也是绝对安全的。

  当然,原理上的绝对安全不由于觉得现起来完整性没人漏洞,实际使用中,光子源品质好坏、探测器速率单位高低等等,都也不成为攻击者的目标。但你这名 有的是技术层面上的问題,也不我量子力学依然奏效,量子通信的绝对安全就值得期待。

  2 星地量子通信与全球量子通信网络

  也不全球光纤网络的飞速发展,基于光纤技术的量子通道是最容易建立的。但你这名人 没人快发现,光纤的衰减效应成为量子通信技术向远距离发展难以逾越的门槛。

  在经典通信下,光纤信号的衰减都并能通过放大器件进行放大后传输,也不我建立好中继站,光纤网络便都并能遍布全球。但到了量子通信,也不信息载体是单个的光子,量子的不可好友克隆性也决定了单光子的信号是不可放大的,也不光纤固有的光子损耗,光量子传输太难更远距离拓展。

  基于自由空间[4]的量子通信技术则成为当前实现全球量子通信网络的另另一十个 最优选用。

  考虑到地球曲率、传输距离、大气、天气等影响,在地球表表皮,1150公里级别的自由空间的量子密钥整理几乎也不是极限,于是,基于低轨卫星中转的量子通信可谓实现目标的最佳方案。

  外太空的真空环境对光的传输来说是最好的媒介,几乎不处在大气引起的衰减和退相干效应,利用卫星作为中转平台,科学家们都并能在地球上的任意两点之间建立起量子信道,极大地扩展了光子的传输距离。

  理论上,也不我你这名人 并能实现将光子传出大气层,配合星载平台技术和光束精选用位技术,有的是也不实现真正覆盖全球的量子通信网络。

  3 中国首颗量子卫星

  由中国科学院院士潘建伟担任首席科学家的中国首颗量子科学实验卫星,8月16日深更深更半夜在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭发射至角度为1150公里的预定轨道,卫星有效载荷包括量子纠缠源、量子纠缠发射机、量子密钥通信机和量子实验控制与除理机,同去完成纠缠光子的生成、发送、地面通信以及实验控制。

  同去,地面建设有十个 量子通信地面站(南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站)和另另一十个 空间量子隐形传态实验站(阿里量子隐形传态实验平台),在中国科学技术大学的量子科学实验卫星控制中心的指挥和调度下,完成四项重要的科学实验:星地高速量子密钥整理实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠整理实验、地星量子隐形传态实验。

  其中,十个 量子通信地面站主要参与量子密钥整理和量子纠缠整理,前者前要借助高精度的捕获、跟踪、瞄准系统,在地面与卫星之间建立超远距离的量子信道,进行卫星与地面之间、基于诱骗态和基于纠缠的量子密钥生成和整理,实现卫星与地面之间以量子密钥为核心的绝对安全的保密通信试验,并在此基础上,与光学地面站及其附属的局域光纤量子通信网络相结合,通过卫星中转的措施组建真正意义的广域量子通信网络;而后者,则前要卫星上的量子纠缠光源同去向另另一十个 地面站整理纠缠光子,在完成量子纠缠整理后,对纠缠光子同去进行独立的量子测量。通过对千公里尺度上量子纠缠态的观测,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

  而西藏阿里站的主要任务是配合卫星同去进行量子隐形传态研究。该实验将在量子存储的帮助下,探索卫星与地面之间真正意义远距离量子隐形传态的可行性,在类空间条件下完成量子力学非定域性的实验检验。

  另外,卫星在轨还将首次进行洲际量子密钥整理,卫星产生成对纠缠态光子,并将它们中的一方发送至处在北京和维也纳的地面站,进而生成密钥,连接中国和欧洲的量子通信网。

  也不,在太空进行你这名 实验难度相当大,地面站和在轨的卫星进行通信,前要根据卫星轨道和望远镜的天文指向,在地面站和卫星之间建立另另一十个 链路,地面站跟瞄要达到相当高的精度,并能建立捕获并维持稳定的链路对准,完成量子通信。在卫星高速飞行的同去,如何保证卫星上的另另一十个 激光器同去瞄准相距遥远的另另一十个 地面站,并同去传输密钥?你这名 卫星与另另一十个 地面站的高精度跟瞄在国际上也属首次。此外,近衍射极限量子光发射、高保偏量子信号的偏振调制、高品质的纠缠光子源等等,有的是这颗卫星的技术法宝。也不,这颗卫星带上天的是科研团队多学科、长时间在量子密钥整理、多光子纠缠、量子隐形传态等方面技术水平的集中体现。

  4“天地一体化”网络初步建成

  中国此次发射的量子卫星主要任务是将地面上的量子纠缠实验“搬到”外层空间,即通过连接地面上的量子通信网,完成星地量子保密通信、星地量子纠缠整理、星地量子隐形传态等实验。

  都并能说,这颗量子卫星肩负着科学和技术的双重使命。

  从科学的角度说,量子纠缠和量子隐形传态,是量子力学领域当中最“诡异”的问題,连爱因斯坦也为此困扰,称之为“极速般的超距作用”。觉得量子通信体系速率单位无法突破光速,但另另一十个 遥远纠缠粒子之间的“非局域”关联,仍不时地试探着相对论的边界。此次卫星在轨,也不我首次在大尺度的空间对量子理论进行相关检验,即验证纠缠光子分开千公里的尺度后,不是依然保持纠缠型态,并千公里的尺度上通过测量贝尔不等式,检验量子力学基本原理。

  而从技术的角度,卫星在轨的重要实验目标也不我完成星地量子保密通信。这是目前世界唯一的星地量子信道,下一步,通过卫星将地面站、地面光纤网络及你这名地面终端连接,也不运行顺利,天地一体化的量子通信网络将初步成为现实,你这名人 有望实现全球量子密钥初步业务化运行。

  完整性的空地一体广域量子通信网络体系的构建,在国防、政务、金融和能源等领域将率先加以广泛应用,与经典通信网络进行连接,形成具有国际引领地位的战略性新兴产业和下一代国家信息安全生态系统。

  值得一提的是,“墨子”卫星的此次洲际量子密钥整理演示,也为国际同行开放了天地一体化实验平台。国内外同行均可申请使用卫星与自建地面站开展各种方案的星地量子密钥整理和提取的关键技术研究。

  5 展望“全量子时代”

  若要通过星地量子广域网的措施实现覆盖全球的量子通信,另另一十个 都并能预见的方案是:地面的局域网(比如实用化城域光纤量子通信网络)都并能利用量子中继技术建立并实现传输和覆盖,而在另另一十个 区域之间利用卫星实现自由空间光量子传输和卫星平台的中继,从而实现另另一十个 分隔遥远的地面光纤网络的相互联通。

  更进一步,未来若发射更多的量子通信卫星,空间卫星有望形成网络,那时基于卫星网络的全球化量子通信也不成为现实。通过卫星组网,都并能有效突破地影区限制,星载量子存储、星间量子中继、超远距离量子纠缠整理都都并能通过卫星网络实现。

  你这名人 甚至都并能大胆想象,有一天,互联网将以量子计算机作为节点,通过量子信道进行连接,量子网络中传送的信息大次要不再是经典的0或1,也不我由量子态,高速率单位的量子计算配合高保密的量子通信,“量子互联网”得以实现。

  觉得距离你这名 天还有很长的路要走,也不当那一天到来的也不,你这名人 的下一代回望过去也许会感叹,自全球首颗量子卫星“墨子”号升空始,基于卫星的全球化量子通信网络建成后,锦江春色,玉垒浮云,全世界的通信格局得以深刻改变。

  参考注释:

  [1]贝尔不等式:1964年贝尔提出了另另一十个 强有力的数学不等式。该定理在定域觉得性的假设下,对于另另一十个 分隔的粒子同去被测量时其结果的也不关联程度建立了另另一十个 严格的限制。你这名 不等式,都并能用实际实验测量来对比定域觉得论与标准量子物理的不同预测。你这名人 都并能设计实验,测量贝尔不等式中你这名要求的参数。也不测量结果符合贝尔不等式,没人就证明定域觉得论是正确的,量子物理理论不完备,微观世界中的量子行为有你这名你这名人 尚且我不在 乎 的隐变量;也不测量结果不符合贝尔不等式,则量子物理理论是完备的,不到简单地用隐变量的理论来解释量子问題,定域觉得论是不正确的。

  [2]基态与激发态:原子或分子处在最低能级,电子在离核最近的轨道上运动,你这名 定态叫基态。原子或分子吸收一定的能量后,电子跃迁到较高能级但尚未电离的请况,叫做激发态。

  [3]BB84量子密码协议是第另另一十个 量子密码通信协议,由美国科学家Charles Bennett和加拿大蒙特利尔大学科学家Gilles Brassard于1984年创立,属于量子密钥整理的范畴,它基于单粒子载体,易于实现,安全性已被严格证明,是唯一被商业化实现的量子密钥整理协议。

  [4]指通过大气而有的是光纤传送光信号的光通信系统。“自由空间”意指空气,外空间,真空或这类的空间。

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责任编辑:刘灏