“墨子号”升空探路量子保密通信

xzcxnihd · 发表于 2016-8-21 14:15:16

携带世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”的长征二号丁运载火箭在酒泉成功发射。“墨子号”的重要任务是实现卫星和地面之间的量子保密通信，从而构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。此次由“墨子号”、地面接收点形成了到目前为止最大跨度的量子保密通信网络，并将在大空间尺度上检验量子物理基本问题，因此卫星的发射和其后的试验受到全球物理学家的高度关注。

把实验室立于天地之间

将量子保密通信通过卫星实现是由中国科学技术大学教授、量子卫星首席科学家潘建伟在2003年提出的。“量子保密通信要真正实用化必须在远距离传输中得到验证。”潘建伟认为，为了真正实现远距离量子保密通信，可以考虑用卫星。2005年，潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验，证实光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而初步验证了星地量子保密通信的可行性。
2007年起，潘建伟团队与中国科学院上海技术物理研究所、上海微小卫星工程中心、中国科学院光电技术研究所等研究机构一道，发展了一系列自由空间量子通信的关键技术，先后实现了百公里级自由空间量子通信、星地量子通信的全方位地面验证等实验，验证了星地量子保密通信的可行性，2011年底，量子科学实验卫星项目正式立项。
“墨子号”经过5年的研制，今年开始与运载火箭对接。其搭载有量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验控制与处理机等有效载荷，具备两套独立的有效载荷指向机构，通过姿控指向系统协同控制，可与地面上相距千公里量级的两处光学站同时建立量子光链路。
其中最重要的一个载荷叫纠缠源，是实验中发射量子纠缠光的源头，平时实验室中纠缠源的体积巨大，目前研究人员将其小型化以满足卫星搭载要求，这在国际上是首次实现，同时也意味着我国在量子通信中已经走到了世界前列。
潘建伟院士在接受媒体采访时表示，通过发射量子卫星，他们建立起有史以来最大的实验室。他说：“量子卫星到地面跨度为500公里，两个接收点之间的距离是1200公里。所以我们的实验室的大小是500乘以1200，是60万平方公里。量子纠缠从前也没有在天上进行过实验，为了保证两个站点能接收很好的信号，我们上天的纠缠源是目前全世界最好的纠缠源。同时我们保证探测器能在宇宙射线的辐照之下，还能很好的存活。”
量子卫星的成功发射和在轨运行，将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位，我国自主研发的量子卫星突破了一系列关键技术，包括高精度跟瞄、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等。通过“墨子号”的通信设备，经过编码的光子将被发射到地面，由地面系统负责接收。
量子卫星的两个激光器必须分别瞄准两个地面站，精度极高，被称为“针尖对麦芒”。中科院国家空间科学中心主任吴季说：“一颗卫星对准两个地面站的实验从来没有过，国际上也是第一次做这么高精度的跟踪和地面站配合。”
未来两年内，量子科学实验卫星将进行三项科学实验：星地高速量子密钥分发实验、星地量子纠缠分发实验和地星量子隐形传态实验。潘建伟表示，“可能第一个实验最容易，后面两个实验可能会困难一点。我们对完成这三类实验，都非常有信心。”
除了量子卫星外，实验还涉及合肥中心和乌鲁木齐南山、北京兴隆、青海德令哈、云南丽江和西藏阿里站五个台站。其中北京的兴隆站、新疆的南山站、青海的德令哈站和云南的丽江站，是四个量子通信地面站，主要参与量子密钥分发和量子纠缠分发这两大项实验。南山和德令哈的1.2米口径望远镜和改造后的兴隆、丽江米级望远镜是核心部分。位于西藏的阿里站则主要配合卫星一起参与第三项量子科学实验——量子隐形传态。

量子信息研究走向实用

传统的通信方式，比如无线、宽带等，好用、速度快，但在信息传输中存在安全问题，而量子通信在传输的途径中可以完全确保信息安全。近年来，量子通信因其传输高效和绝对安全等特点，被认为是下一代通信和计算机技术的支撑性研究。潘建伟认为：“从原理上来说，量子通信是无条件安全的通信方式。”由于量子具有不可分割、状态不可克隆的特性，将其作为信息载体就可以实现抵御任何窃听的密钥分发，进而保证传输内容的绝对安全。
随着我国研制的世界首颗量子通信卫星的发射，加上量子保密通信“京沪干线”、“京杭干线”的建成开通，一个“天地一体化”的量子通信网络将初步形成，也意味着自上世纪80年代起，历经30多年的量子信息研究，终于走向实用。
据介绍，量子保密通信“京沪干线”连接北京与上海，贯穿山东济南、安徽合肥等地，是千公里级高可信、可扩展的广域光纤量子通信网络，属世界首例，其建成后可用于金融、政务等领域信息的安全传输。
在首颗量子通信卫星发射后，我国还将陆续发射多颗量子卫星，力争在2020年实现欧洲和亚洲之间的洲际量子保密通信，在2030年前后率先建成全球一体化的广域量子保密通信网络。
虽然量子科学实验卫星成功发射，但从长远来看，“要实现全球化量子通信还需要长期的努力，特别是需要多颗卫星的组网”，量子科学实验卫星科学应用系统总师兼卫星系统副总师彭承志表示。也因此，中国以开放的姿态欢迎全球合作。“我们非常高兴地同意了奥地利方的请求，共同就北京到维也纳之间的洲际量子通信进行实验合作，中方并决定向全球开放载荷的相关数据”，潘建伟称。
奥地利量子物理学家斯米德梅耶在接受媒体采访时说：“国际量子物理学界对这个卫星的发射很期待，因为这是第一次在大尺度上来检验量子力学基本原理是否正确。”在“墨子号”量子卫星项目中，奥地利和中国的科学家们共同合作攻克难关。“在技术上，这次中国的量子通讯卫星上天也是非常高的水平的，因为本次卫星发射上面至少安装了5个以上10个以下的激光器，而且从卫星上发射激光要瞄准地面的红外接收站，这在技术上都是非常高水平的。”斯米德梅耶说。（本报实习生巴一鸣对本文亦有贡献）