一對纏繞的光子將被拆散,從太空發(fā)射到地面,開啟人類保密通信的新歷史。8月中旬,中國將發(fā)射首顆量子科學實驗衛(wèi)星。
你粘好信封,滴蠟蓋上火印,但防不住有人拆開、讀完再復原;你想用電磁波傳遞一個秘密,但“音量”再低,也防不住精細的竊聽。最終,你設(shè)法將“音量”調(diào)低到如此程度:只發(fā)射一顆光子,任何間諜去測量都會破壞它,從而被發(fā)現(xiàn)。信息微弱到了極限——量子級別,再小心的讀取都會徹底改變它,而不可能只改變一點點。中國量子衛(wèi)星的保密原理就是如此。理論上絕對安全的密電一旦實現(xiàn),銀行和軍隊都將獲益。
絕對保密的通信依靠量子糾纏,也就是愛因斯坦說的“幽靈般的超距離作用”來工作——兩顆光子無論相距多遠,總是“心靈感應”:一個變化,另一個就保持同步。于是一對糾纏的量子態(tài)的光子,可以被當作鑰匙分發(fā)給北京與上海。上海讀取光子B,破壞了它“既黑又白”的量子模糊狀態(tài),讓它顯出黑或白色;北京的光子A也將心靈感應地破壞,呈現(xiàn)同樣顏色。如此發(fā)射和讀取一連串糾纏光子,北京和上海就能得到同樣的數(shù)列,比如“黑白白黑黑白黑白”,這就是密碼——間諜想要讀取一長串光子再原樣發(fā)送,而不被發(fā)覺的可能性為零。
量子科學家操縱激光發(fā)生器,讓一個光子分為兩個糾纏的光子——潛在的信息寄托于它們的偏振態(tài)或其他屬性,再分發(fā)到盡量遠的地方并測量。中科大的潘建偉教授等科學家經(jīng)過20年努力后,發(fā)明了能夠長時間(毫秒級)存儲量子的中繼器。人們已經(jīng)能在地面上傳送糾纏光子跨越上百公里。奧地利曾用量子通信傳遞了銀行支票,瑞士用它傳送過大選得票信息。在中國,“北京—濟南—合肥—上?!绷孔油ㄐ鸥删€已經(jīng)建立。
但無論是近地面空氣還是光纖玻璃都容易阻擋和吸收光子。因此跨越大氣層的衛(wèi)星量子通信方案很吸引人。即將發(fā)射的中國量子衛(wèi)星質(zhì)量約600千克,由長征—2D火箭運載,運行于500千米太陽同步軌道。衛(wèi)星攜帶的一塊晶體將制造激光和一對糾纏光子,并且將他們分發(fā)到兩個地面站。
為了讓單個光子傳送數(shù)百公里,穿越大氣還能鉆進地面接收器,中國量子衛(wèi)星必須時刻矯正位置,保持精確朝向兩個地面目標,這也是世界上未曾達到的精細度。傳輸錯誤率也得相當?shù)?,才能保證通信可行。接下來兩年,中國科學家將測試被分發(fā)到相距成千、甚至上萬公里的一對糾纏的光子能否保持糾纏——理論預言是可以的,但誰也沒做過。
飛機和地面之間的量子通信已經(jīng)實驗成功。而近兩年,意大利、新加坡和英國的科學家也曾利用衛(wèi)星探索天地量子通信的可行性,已制造出互相關(guān)聯(lián)的成對光子——糾纏光子的前一步。而中國則是第一個發(fā)射量子通信衛(wèi)星試圖驗證整個流程的國家。
如果這次量子衛(wèi)星實驗成功,中國量子通信網(wǎng)下一步將試圖連接中國和歐洲,并在2030年擴充成20顆衛(wèi)星規(guī)模的全球網(wǎng)絡。但近年來也有科學家撰文指出量子通信系統(tǒng)的一些安全漏洞,盡管不是量子加密方式本身的問題:比如中繼站在接收和發(fā)送之間存在信息截獲的可能,這是中國科學家要設(shè)法避免的。