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世界首颗量子卫星在中国升空,首席科学家潘建伟深度解读

时间: 2016年08月17日 | 作者: admin | 来源: 环球科学
全球首颗量子科学实验卫星“墨子”号成功发射,《环球科学》专访首席科学家潘建伟,深度解读该计划。

 

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2016年8月16日北京时间凌晨1时40分,全球首颗量子科学实验卫星“墨子”号在中

国酒泉卫星发射中心成功发射,标志着我国在量子通信领域全面领先于世界。

 

“墨子号”量子通信卫星发射期间,《环球科学》专访中国量子通信领军人物、空间量子科学实验卫星计划的首席科学家潘建伟院士,为读者深度解读“墨子号”。

 

《环球科学》:能否简单解释一下什么是量子通信?

 

潘建伟:这是目前唯一得到严格证明的无条件安全的通信手段。传统的信息安全依赖于计算的复杂,一旦拥有足够强大的计算能力,所有依赖于计算复杂度的传统加密算法原则上都会被破解。量子通信的安全性基于量子力学基本原理,单光子的不可分割性和量子态的不可复制性从原理上保证了信息的不可窃听和不可破解。只要量子力学是正确的,量子通信的安全性就严格得到保障,与计算能力无关,因此可从根本上、永久性地解决信息安全问题。

 

在城市范围内,通过光纤构建城域量子通信网络是最有效的手段。我国在实用化城域量子通信技术方面处于国际领先,在合肥、济南、上海、北京等地都建成或即将建成规模化的城域量子通信网络,并初步应用于国防、政务、金融等领域的信息安全。然而,由于光纤的固有损耗,按照目前的技术,光纤中点对点的量子通信最多只能达到百公里量级。另一方面,由于大气层对光子的吸收很有限,将光子送到外太空再通过卫星的中转,是实现数千公里乃至全球化量子通信的有效手段。

 

《环球科学》:您是如何产生用卫星来试验量子通信的想法,又经过了哪些准备工作?

 

潘建伟2003年起,在大多数同行仍致力于在实验室里实现量子通信的时候,我就想到为了真正实现远距离量子通信,可能需要卫星。2004年底,我们团队在地面实验中验证,量子状态在穿越整个竖直大气层后还能够很好存活,证实了星地量子通信的可能性。此后,在中科院两个知识创新工程重大项目的支持下,我们和中科院其他单位合作,开展了一系列的验证实验,充分验证了星地量子通信的可行性。2011年,中科院正式立项量子科学实验卫星专项。

 

《环球科学》:“墨子”号发射后,将会承担哪些研究工作?研究团队有什么样的分工?

 

潘建伟:量子科学实验卫星工程将研制及发射1颗量子科学实验卫星,建设以4个量子通信地面站(北京兴隆、乌鲁木齐南山、青海德令哈、云南丽江)和1个空间量子隐形传态实验站(西藏阿里)为核心的空间量子科学实验系统。量子卫星发射入轨后将进行3个月左右的在轨测试,然后转入在轨运行阶段,将完成一系列具有国际领先水平的科学实验任务。主要科学目标为:进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破;在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

 

乌鲁木齐南山站和北京兴隆站与量子科学实验卫星配合,完成星地高速量子密钥分发实验和建立广域量子通信网络演示实验;量子科学实验卫星飞过乌鲁木齐南山站与青海德令哈站,青海德令哈站与云南丽江站之间时,可在两个地面站之间进行星地量子纠缠分发实验。量子科学实验卫星飞过阿里量子隐形传态站上空时,实验站向量子科学实验卫星发射纠缠光子,完成星地量子隐形传态实验。

 

量子科学实验卫星的研制集合了中科院系统的优势研究力量:中国科学技术大学负责科学应用系统的研制,中国科学院上海微小卫星工程中心抓总研制卫星系统,中国科学院上海技术物理研究所联合中国科学技术大学研制有效载荷系统,中国科学院国家空间科学中心担任工程总体并牵头负责地面支撑系统的研制、建设和运行。

 

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《环球科学》:量子通信卫星有4个重要单元:量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验控制与处理机,能否介绍一下这些单元以及其他部分的作用原理和功能?

 

潘建伟:这4个单元其实就是量子卫星的有效载荷。量子密钥通信机实现量子密钥分发实验的密钥产生发射、量子隐形传态信号接收探测、纠缠信号发射;量子纠缠源为星上纠缠光子对产生源头,为纠缠分发实验核心;量子发射机实现纠缠信号发射、量子密钥分配实验密钥产生和发射;量子实验控制与处理系统实现密钥分发实验的后端处理,最后提取最终密钥,此外实现纠缠实验和隐形传输实验的数据分析处理。

 

量子密钥通信机和量子纠缠发射机是量子卫星对地直接进行量子通信的设备,需要一些特别的技术。这其中最重要的就是与地面站的精确对准。卫星的运动速度大约是每秒8公里,要和地面望远镜的光轴精确对准,用一个形象的比喻就是针尖对麦芒:卫星的对准精度就好比在一万米高空的飞机上,向地面扔一个一个硬币,要准确投入储蓄罐狭长的投币口内,而储蓄罐还在慢慢旋转中。另外,在量子纠缠分发实验中,还需要同时和两个地面站对准,难度就更加大,这要求卫星的对准精度高于普通卫星的10倍,实验才能顺利展开,这在国际上以往都未曾做到。

 

除了有效载荷,卫星平台本身也是重要的单元,因为在所有实验开始前都需要卫星先和地面站初步对准,这就要求对卫星平台的姿态进行精确的控制。

 

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《环球科学》:量子通信卫星的外观和普通卫星有差别吗?

 

潘建伟:卫星重量约600公斤,外观上与通常的卫星并无太大区别。

 

《环球科学》:未来,我们国家可能还会发射第二颗、第三颗量子通信卫星,那么后面的卫星是否与第一颗有些不同?后续的卫星,目前有发射的时间表吗?

 

潘建伟:单颗量子卫星无法直接覆盖全球,而且目前的空间量子通信还只能在夜间(地影区)进行,白天强烈的日光背景会带来很大的干扰。因此在未来还需要发射多颗卫星来组成卫星网络,同时突破日光背景下进行量子通信的技术,从而实现全球化的广域量子通信网络。因此,未来发射的量子卫星还需要卫星之间的量子通信、全天时的量子通信,这是与现在这颗量子卫星主要的不同之处。后续卫星目前尚无发射的时间表,不过我国的未来的空间站项目将开展相关研究,首先验证星间、全天时量子通信的可行性。

 

《环球科学》:关于量子通信,我国是三步走的策略:一是通过光纤实现城域量子通信网络;二是通过量子中继器实现城际量子通信网络;三是通过卫星中转实现可覆盖全球的广域量子通信网络。此次量子通信卫星的发射是第三步的重要开端,那么前面两步完成得如何?

 

潘建伟:首先,城域量子通信网络肯定是第一步,而后面的城际量子通信和卫星量子通信是实现远距离量子通信的不同路线,是并行开展研究的,并非有先后的顺序。目前我国在城域量子通信网络技术方面已处于国际领先,在城际量子通信方面也走在了世界前列,今年下半年,国际上首条千公里级光纤量子通信干线“京沪干线”将建成,将连接北京、济南、合肥、一直到上海的城域量子通信网络,并将在国防、政务和金融领域开展应用。可以说,我国在量子通信方面,已全面处于国际领先地位。

 

《环球科学》:量子通信卫星发射后,京沪干线也将完工,利用现有的量子通信网络,可以做些什么?

 

潘建伟:量子通信的应用是保障通信的安全,在量子卫星发射、京沪干线建成后,我国的广域量子通信网络就初具规模,可以在保障国防、政务、金融等领域的信息安全得以广泛应用。

 

《环球科学》:美国、欧洲也在开展量子通信计划,能否介绍一下欧美的情况?和他们相比,中国在这一方面处于什么水平?

 

美国和欧洲其实在量子通信方面的研究是较早的。2008年,欧盟启动量子通信技术标准化研究,成立“基于量子密码的安全通信”工程;美国国防部支持的“高级研发活动”计划将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及长距离光纤网络;NASA也计划在其总部和喷气推进实验室之间建立一个直线600公里、包含10个骨干节点的远距离光纤量子通信干线,并计划拓展到星地通信。2014年,全球最大的独立科技研发机构美国Battelle公司提出了商业化的广域量子通信网络规划,计划建造环美国的万公里量子通信骨干网络,为谷歌、IBM、微软、亚马逊等公司的数据中心之间提供量子通信服务。总的来说,正如《自然》杂志所评论的,随着量子卫星的发射和京沪干线的建成,中国的量子通信水平,已经从十年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美”。然而,来自欧洲和美国的竞争仍然十分激烈,比如,2016年4月,欧盟委员会正式宣布启动总额10亿欧元的量子技术旗舰项目,目标是使欧洲在未来的量子信息革命中处于前沿位置,而英国政府早在2015年初就已先期配套约3亿英镑用于支持该旗舰项目的启动;2016年5月,美国国家科学基金会(NSF)正式提出,将“下一代量子革命”作为未来重点支持的六大科研前沿之一。未来我国能否继续保持领先,还需要国家的战略布局和高强度支持。

 

《环球科学》:我国的计划是在2030年建成全球化的量子通信,那么作为普通公众,什么时候可以用到量子通信?全面实现量子通信,您认为大致会是在什么时候?

 

潘建伟:目前的量子通信,由于范围有限、成本较高,主要还是集中在国家信息安全方面的应用。通过10到15年的努力,如果可以构建一个覆盖全国甚至是全球化的量子通信网络,同时随着应用的深入,成本也会逐渐降低,到那时,普通大众应该也能广泛享受到量子通信带来的通信安全。比如,可以通过入户的光纤,每家每户都有一个量子密钥机,手机里面也可以有一个量子加密芯片,这样出门前在量子密钥机给手机“充量子密钥”,然后就可以用手机来进行安全的通话、上网、支付等等。请注意,量子通信并不是要取代传统通信技术,反而是使传统通信更加安全。

 

《环球科学》:从今天到2030年还有15年时间,在未来15年里,还将开展哪些重要的研究计划和基础设施建设计划?

 

潘建伟:“十三五”期间国家将布局“量子通信与量子计算”重大科技项目,也会建设量子信息领域的国家实验室,我们希望在重大科技项目和国家实验室的支持下,集合全国的优势研究力量,实现一些关键技术和器件的突破。基础设施方面,除了上面说到需要发射多颗量子通信卫星外,地面上也需要在“京沪干线”的基础上,建设一个“多横多纵”的全国性光纤量子通信干线,目前我们正在与国家发改委沟通。