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为何中国率先搞定了量子通讯卫星,而外国科学家只能羡慕嫉妒恨?

2017-06-19 17:01 来源:ag游戏平台官网编辑整理
为何中国率先搞定了量子通讯卫星,而外国科学家只能羡慕嫉妒恨?

去年年底一个晴朗的夜晚,在中缅边境附近某处,地平线上出现一个绿点。“就好像一颗明亮的绿色恒星。”中国科技大学物理学教授陆朝阳在丽江郊区的一个观测站,目睹了这一景象。

他和同事们必须眼疾手快。这个绿点实际上是一道激光,发射这道激光的,是在480多公里高的地球轨道上遨游飞翔的一颗人造卫星。这颗卫星好比是灯塔,激光则是它发出的旌旗灯号,播送着卫星的位置。激光将划过夜空,用不了十分钟,就会消失在地平线下。

于是,团队(成员来自中国的多家科研机构)用千里镜锁定激光,搜寻他们真实的猎物:一个个微不足道的红外光子,是由卫星上搭载的特殊晶体产生。在过滤掉绿光后,他们盯住了自己的猎物——一种从未被发送过的量子旌旗灯号。

这是一场意义深远的实验,目的是测试一种名为量子密码学的崭新技术,即用光子等量子粒子传输加密信息。但脆弱的量子粒子是出了名的难以传输。若用光纤发送,最多只能传输240公里,否则旌旗灯号就会受损。想要在全国或全球范围内发送信息,根本力所能及。

因此。研究人员很早就提议:用人造卫星远距离播送量子粒子。在此次实验中,人造卫星在两个相距1200多公里的地面站之间连气儿发送单光子信息,创下纪录。“在量子通信网络的拓展方面,这无疑是一个里程碑。”巴黎量子较量争论中心(Paris Center for Quantum Computing)副总监海伦·戴蒙德(Eleni Diamanti)说,他并未参与该实验。

去年8月,中国酒泉卫星发射中心发射了这枚造价高达1亿美元的人造卫星。发射前,研究人员在其中架设了一个由激光、反射镜,以及一种特殊晶体组成的复杂系统。他们将一束激光射向晶体,使之产生光子对,也叫做纠缠光子。该晶体一次能产生600对光子对,但在地面上,两个地面站每秒只能探测到大约一对。“这是一项艰巨的任务。”陆朝阳说,“就好像要在300米开外看清一根头发。”

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陆朝阳

陆朝阳等研究人员认为,量子加密学也许是加密工具的未来。在执行正确的情况下,其传输协议如下:先检测光子的特性,生成一个由1和0组成的密钥,发给接收者;再用该密钥加密信息,并把信息发送出去。按照量子力学的理论,如果有外人想要窃取密钥,它就会立刻转变为另外一组数字。

就像薛定谔的猫,你不去看,猫就始终处于生与死的叠加态。你一看,它要么活着,要么已经死亡。同样的道理,窃取行为会立刻改变构成密钥的光子,也就是说,从理论上讲,物理定律注定了窃取行为不可能成功。(但实际操作中,硬件不可能精美绝伦:现有的探测器还无法很精准地接收单一光子,可能会受到外部环境干扰 。)

为何中国率先搞定了量子通讯卫星,而外国科学家只能羡慕嫉妒恨?

潘建伟

此次发射——以及实验本身——都酝酿已久。中国科技大学的潘建伟是领导该项目的物理学家,早在2003年,他就提出了这一人造卫星实验的设想。他的团队约有100名成员,大家花了多年时间,精心设计、构建和调试这套激光与卫星系统。他们先是进行地面实验:在几公里距离内测试密钥传输,随后逐渐拉长距离。

但相对同领域的其他研究团队,他们的进展是相当生猛的,加拿大滑铁卢大学物理学家托马斯·詹宁威(Thomas Jennewein)说。最近,他成功地将一个量子密钥从地面发送到了正在遨游飞翔的飞机上。

多年前,詹宁威曾多次提出过开展量子加密通讯实验的设想,想要在国际空间站上进行类似实验。“由于复杂性和成本等种种缘故原由,那些项目都停留在研究阶段。”他说,“但中国团队说干就干,而且真的做到了。很了不得。”

中国在这个领域的进展之所以如此之快,是因为政府高层对这类技术十分重视,昆山杜克大学的丹尼斯·西蒙(Denis Simon)说,他是中国科学政策方面的专家。他说,因为得到了高层的首肯,所以省去了繁琐的经费申请流程。政府对这种技术感兴趣,是想借助量子保密通信,服务国家利益。

与此同时,其他国家的研究人员也在测验考试类似的实验——只不过面临更多繁琐的手续。戴蒙德的团队向欧洲空间局递交了一项提议,想以国际空间站为发射点,向欧洲的多个地面站点发送量子粒子。到目前为止,他们仍在等待欧洲空间局的回应。

美国也在进行类似的实验,领导这方面工作的是保罗·科亚特(Paul Kwiat),伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一位物理学家。实验将在国际空间站上进行,美国宇航局(NASA)也参与其中。

为何中国率先搞定了量子通讯卫星,而外国科学家只能羡慕嫉妒恨?

但没有一个国家像中国这样充满雄心。陆朝阳说,他的研究小组还计划用一颗新的卫星进行同样的实验,该卫星所处轨道更高,能在相距更远的城市间发送量子密钥。他们想联手奥地利的协作者,在两国之间交换量子密钥。

潘建伟说,到2030年,中国将发射一批这样的卫星,设立建设起一个覆盖全球的网络。“我们很幸运,能得益于一个高效的决议计划体系体例。”陆朝阳说。

当政治与科学的利益不约而合时,其力量是无与伦比的。

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