昨日1時40分，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星發(fā)射升空。新華社記者 金立旺 攝
? 昨日凌晨1點40分，中國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。這將使中國在世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構建天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。
4個地面系統(tǒng)與量子衛(wèi)星構成一體化系統(tǒng)
量子衛(wèi)星2011年12月立項，是中國科學院空間科學先導專項首批科學實驗衛(wèi)星之一，其主要科學目標是借助衛(wèi)星平臺，進行星地高速量子密鑰分發(fā)實驗，并在此基礎上進行廣域量子密鑰網絡實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；在空間尺度進行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。
工程還建設了包括南山、德令哈、興隆、麗江４個量子通信地面站和阿里量子隱形傳態(tài)實驗站在內的地面科學應用系統(tǒng)，與量子衛(wèi)星共同構成天地一體化量子科學實驗系統(tǒng)。
兩年設計壽命完成四大任務
量子衛(wèi)星首席科學家潘建偉院士向媒體介紹，量子通信的安全性基于量子物理基本原理，單光子的不可分割性和量子態(tài)的不可復制性保證了信息的不可竊聽和不可破解，從原理上確保身份認證、傳輸加密以及數字簽名等的無條件安全，可從根本上、永久性解決信息安全問題。
據新華社報道，量子衛(wèi)星將在兩年的設計壽命中完成四大任務：星地高速量子密鑰分發(fā)實驗；廣域量子通信網絡實驗；衛(wèi)星向相距1200公里的地面站分發(fā)糾纏的光子，在更宏大的尺度上測試被愛因斯坦稱為“詭異的”量子糾纏現(xiàn)象；還計劃在“世界屋脊”西藏阿里和衛(wèi)星之間實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)實驗。
潘建偉表示，“墨子號”發(fā)射以后，如果效果達到預期，下一步還計劃發(fā)射“墨子二號”“墨子三號”。記者賈世煜
■ 焦點
量子衛(wèi)星將實驗星地“安全”通信
在量子世界中，一個物體可以同時處在多個位置，一只貓可以處在“死”和“活”的疊加狀態(tài)上；所有物體都具有“波粒二象性”，既是粒子也是波；兩個處于“糾纏態(tài)”的粒子，即使相距遙遠也具有“心電感應”，一個發(fā)生變化，另一個會瞬時發(fā)生相應改變……
正是由于量子具有這些不同于宏觀物理世界的奇妙特性，才構成了量子通信安全的基石。在量子保密通信中，由于量子的不可分割、不可克隆和測不準的特性，所以一旦存在竊聽就必然會被發(fā)送者察覺并規(guī)避。
“傳統(tǒng)的信息安全都是依賴于復雜的算法，只要計算能力足夠強大，再復雜的保密算法都能夠被破解。量子通信能做到絕對安全，是由量子自身的特性所決定的，計算能力再強也破解不了，因此它是革命性的，可從根本上、永久性解決信息安全問題。”量子衛(wèi)星首席科學家潘建偉院士說。
在量子通信的國際賽跑中，中國屬于后來者。經過多年的努力，中國已經躋身于國際一流的量子信息研究行列，在城域量子通信技術方面也走在了世界前列，建設完成合肥、濟南等規(guī)模化量子通信城域網，“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網也即將竣工。
然而，這只是開始。“在城市范圍內，通過光纖構建城域量子通信網絡是最佳方案。但要實現(xiàn)遠距離甚至全球量子通信，僅依靠光纖量子通信技術是遠遠不夠的。”潘建偉說。
他解釋說，因為量子的信息攜帶者光子在光纖里傳播一百公里之后大約只有1‰的信號可以到達最后的接收站，所以光纖量子通信達到百公里量級就很難再突破。但光子穿透整個大氣層后卻可以保留80%左右，再利用衛(wèi)星的中轉，就可以實現(xiàn)地面上相距數千公里甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信。
另外，量子理論的奇妙之處在實驗室里被不斷重復檢驗，但卻從未在太空尺度驗證過。量子理論的各種奇異現(xiàn)象在太空中是否還存在？量子糾纏和隱形傳輸是否可以延伸到星地之間？這些都需要衛(wèi)星去驗證。
據新華社
■ 揭秘
1 “四種武器”如何塊頭變小
目前，國際上還沒有一個國家將量子科學實驗送入空間，量子衛(wèi)星的研制沒有任何經驗可循，過程充滿了困難和挑戰(zhàn)。
600多公斤重的量子衛(wèi)星帶有四個有效載荷：量子密鑰通信機、量子糾纏源、量子糾纏發(fā)射機、量子實驗控制與處理機，它將在距離地面500公里高的太陽同步軌道，大約90分鐘繞地球一圈。
同時，在地面建設了科學應用系統(tǒng)，包括1個中心——合肥量子科學實驗中心；4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站；1個平臺——阿里量子隱形傳態(tài)實驗平臺。
天地量子科學實驗非常復雜，對天地實驗設備的要求也異乎尋常的高。潘建偉坦言，衛(wèi)星研制過程中，最困難的環(huán)節(jié)就是有效載荷，“攻克了許多技術難題才拿下”。
比如量子糾纏源，它只有機頂盒的大小，作用卻非常關鍵，它能夠產生糾纏光，這是量子衛(wèi)星在空中做各種實驗的源頭。平時實驗室里糾纏源的體積非常巨大，研究人員不僅把它做到了小型化，還通過一系列的創(chuàng)新讓它實現(xiàn)了滿足空間環(huán)境要求，在國際上是首次實現(xiàn)。
2 星地對接如“針尖對麥芒”
量子衛(wèi)星升空后，衛(wèi)星與地面站之間的互動才是重頭戲。
中國科學家利用已有的天文觀測臺站，在云南麗江、新疆烏魯木齊、青海德令哈、河北興隆建設了量子通信地面站。而量子隱形傳態(tài)實驗需要從地面向衛(wèi)星發(fā)射光子，為了避免大氣湍流的影響，空間量子隱形傳態(tài)實驗站建在了海拔5100米的西藏阿里。
潘建偉說：“我們的實驗面積遍布60萬平方公里，這形成了人類有史以來最大的‘天地一體化量子實驗室’?！?/p>
然而，要做到天地互動并不容易。量子衛(wèi)星總設計師朱振才說：“量子衛(wèi)星的一個顯著特點是要對德令哈與麗江，或德令哈與烏魯木齊兩個光學地面站同時實現(xiàn)對準，星上的光軸與地面望遠鏡光軸要嚴格對準，用一個形象的比喻就是針尖對麥芒?！?/p>
科學家說，這要求衛(wèi)星的對準精度高于普通衛(wèi)星的10倍，實驗才能順利展開。真正的問題在于，這顆衛(wèi)星將在人們的頭頂以約8公里/秒的速度飛馳，地面觀測站每次只能持續(xù)跟蹤幾分鐘。
量子衛(wèi)星工程常務副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說，為了讓穿越大氣層后光子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，為了保證量子衛(wèi)星與地面接收站間超高精度地瞄準、捕獲和跟蹤信息，科研人員從2012年起就做了各種實驗，包括用熱氣球來模擬空間探測器的振動、隨機移動和高度變化，用行駛的車輛上裝載的轉盤來模擬衛(wèi)星的飛馳而過。
據新華社
量子實驗衛(wèi)星
四種“武器”
●量子密鑰通信機
●量子糾纏發(fā)射機
●量子糾纏源
●量子實驗控制與處理機
四大實驗任務
●星地高速量子密鑰分發(fā)實驗
●廣域量子通信網絡實驗
●星地量子糾纏分發(fā)實驗
●地星量子隱形傳態(tài)實驗
實驗分三類
第一類：進行衛(wèi)星和地面之間的量子密鑰分發(fā)，實現(xiàn)天地之間的安全通信，如果4個地面站任何兩兩之間都可以實現(xiàn)安全的通信，即可實現(xiàn)組網
第二類：相當于把量子實驗室搬到太空，在空間尺度檢驗量子理論
第三類：實現(xiàn)衛(wèi)星和地面千公里量級的量子態(tài)隱形傳輸
