量子通訊衛星(一種傳輸高效的通信衛星)

量子通訊衛星是一種傳輸高效的通信衛星,徹底杜絕間諜竊聽及破解的保密通信技術,抗衡外國的網路攻擊與防禦能力。

量子信號從地面上發射並穿透大氣層———衛星接收到量子信號並按需要將其轉發到另一特定衛星———量子信號從該特定衛星上再次穿透大氣層到達地球某個角落的指定接收地點。

量子衛星是中國科學院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一,其主要科學目標是藉助衛星平台,進行星地高速量子密鑰分發實驗,並在此基礎上進行廣域量子密鑰網路實驗,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和量子隱形傳態實驗,開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。

2016年8月,中國科學家將發射世界首顆「量子衛星」,這有朝一日或許有助於建立一個極其安全的全球通信網路。全球首顆量子科學實驗衛星被正式命名為「墨子號」。

2016年8月16日01時40分,由中國科學技術大學主導研製的世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功發射升空。「墨子號」是中科院空間科學先導專項中首批確定立項研製的4顆科學實驗衛星之一,它的成功發射和在軌運行,不僅將助力於我國廣域量子通信網路的構建,服務於國家信息安全,還將開展對量子力學基本問題的空間尺度實驗檢驗,加深人類對量子力學自身的理解。

名稱來源

命名緣由於墨子在《墨經》中提出的「光學八條」,墨家邏輯是全球三大古老邏輯體系之一,而邏輯體系是科學的基礎,墨子在兩千多年前就發現了光線沿直線傳播,並設計了小孔成像實驗,奠定了光通信、量子通信的基礎。

發射的全球首顆量子科學實驗衛星被命名為「墨子號」,以「墨子號」命名以紀念墨子。

通訊優勢

由於量子信號的攜帶者光子在外層空間傳播時幾乎沒有損耗,如果能夠在技術上實現糾纏光子再穿透整個大氣層后仍然存活並保持其糾纏特性,人們就可以在衛星的幫助下實現全球化的量子通信。

此次發射的量子科學實驗衛星完全由我國自主研發,突破了衛星平台、有效載荷、地面光學收發站等一系列關鍵技術,將在軌開展量子密鑰分發、廣域量子密鑰網路、量子糾纏分發、量子隱形傳態、星地高速相干激光通信等科學實驗。

量子通訊

2003年,潘建偉研究小組開始研究自由空間量子通信,他們在實驗點製備出成對的糾纏光子,再利用兩個專門設計加工的發射望遠鏡將容易發散的細小光束「增肥」後向東西相距13公里的兩個實驗站送出,兩個接收端用同樣型號的望遠鏡收集。

經過研究人員的種種努力,在如此遠距離的傳送中,雖有許多糾纏光子衰減,但仍有相當比例的「夫妻對」能存活下來並有旺盛的生命力,經單光子探測器檢測,分居東西兩地的光子「夫妻對」即使相距遙遠仍能保持相互糾纏狀態,攜帶信息的數量和質量能完全滿足基於衛星的全球化量子通信要求。

在此基礎上,研究小組進一步利用分發的糾纏光源進行絕對安全的量子保密通信。13公里不僅是目前國際上自由空間糾纏光子分發的最遠距離,也是目前國際上沒有竊聽漏洞量子密鑰分發的最大距離。

2012年8月11日,我國科學家潘建偉等人近期在國際上首次成功實現百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發,為發射全球首顆「量子通訊衛星」奠定技術基礎。國際權威學術期刊《自然》雜誌8月9日重點介紹了該成果。

首發時間

中國科學技術大學教授、中國科學院院士、中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新主任潘建偉說,中科院「量子科學實驗衛星」當時預計是2016年7月發射,這既是中國首個、也是世界首個量子衛星。

該衛星的發射將使中國在國際上率先實現高速星地量子通信,連接地面光纖量子通信網路,初步構建量子通信網路。「京滬幹線」大尺度光纖量子通信骨幹網工程於2016年下半年交付。

這一工程將構建千公里級高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網路,建成大尺度量子通信技術驗證、應用研究和應用示範平台。

2016年8月英媒稱,中國科學家將發射世界首顆「量子衛星」,這有朝一日或許有助於建立一個極其安全的全球通信網路。

英國《每日郵報》網站8月3日報道,這個重達1300磅(約合590千克)的航天器中,含有一塊能夠產生糾纏光子對的晶體,這些光子對將被發射到中國和奧地利的地面衛星接收站中,從而形成一個「密鑰」。

據英國《自然》雜誌報道,該衛星計劃於2019年8月晚些時候在酒泉衛星發射中心進行發射。如果這一為期兩年的研究任務的初期實驗能夠獲得成功,那麼可能很快就會再發射多顆衛星。

研究人員正在努力證明粒子即使相距極遠——該研究的實驗距離約為750英里(約合1200公里)——也能保持糾纏。

此前為證明量子通信所做的研究顯示,這一距離最長為180英里出頭。現在科學家們希望,太空中的光子傳播能夠將這一距離變得更長。

《自然》雜誌解釋道,通過空氣和光纖時,光子會被分散或吸收,這給脆弱的量子態的保持帶來了挑戰。但光子在太空中的傳播卻更平順。

實現此等距離的量子通信將使建立安全的全球通信網路成為可能,通信雙方能夠使用一個共享的密鑰進行交流。

在量子物理學中,糾纏粒子即使相隔極遠,也會保持相互連接。因此,其中一個粒子的動作會影響另一個粒子的行為。如果某個人試圖在一端竊聽,那麼另一端就能檢測到這種通信干擾。

該研究任務為期兩年。在此期間,中國研究人員將進行貝爾測試,以證明在這樣一種超遠距離下,糾纏依然存在。

此外,據英國《自然》周刊報道,中國人還將嘗試「隱形傳送」量子態,即在一個新位置重建某個光子的量子態。

中國的這項實驗將嘗試創造出一種高效可靠的量子隱形傳態方法。研究人員說,實現了量子隱形傳態后,便能製造出一種解析度極高的望遠鏡。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的物理學家保羅·奎亞特說:「你不僅能看到那些行星,理論上來說,還能看清木星衛星上的車輛牌照。」奎亞特參與了美國航空航天局的項目。

這個中國航天器的首項任務便是將光子對發射到北京和維也納的地面接收站中,從而形成密鑰。但是,隨著研究工作的進行,這顆衛星可能很快便會迎來其他衛星的加入。

中國科學技術大學物理學家陸朝陽告訴《自然》周刊:「如果首顆衛星表現不錯,中國肯定會發射更多。」若要創建一個連接全世界的通信網路,大約需要部署20顆衛星。

量子衛星項目

2016年8月16日凌晨1時40分,我國科學家在酒泉衛星發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星「墨子號」發射升空,成功入軌運行。這使得我國成為世界上首個實現太空和地面之間量子通信的國家,同時也建成了我國天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。

「墨子號」是世界上首顆量子科學實驗衛星。量子衛星首席科學家、中科院院士潘建偉表示,之所以給它起名「墨子」,是因為墨子首先通過小孔成像實驗發現了光沿直線傳播,而且他也提出了某種意義上的「粒子論」。

據潘建偉院士介紹,量子通信的安全性基於量子物理基本原理,單光子的不可分割性和量子態的不可複製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、永久性地解決信息安全問題。

本次的量子衛星項目於2011年12月立項,是中科院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一。其主要科學目標是進行星地高速量子密鑰分發實驗,並在此基礎上進行廣域量子密鑰網路實驗,以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破;其次還希望在空間尺度上進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗,以驗證量子力學理論。

製造機構

量子衛星工程由中國科學院國家空間科學中心抓總負責。中國科學技術大學負責科學目標的提出和科學應用系統的研製;中國科學院微小衛星創新研究院(上海微小衛星工程中心)抓總研製衛星系統,中國科學院上海技術物理研究所聯合中國科學技術大學研製有效載荷分系統;中國科學院國家空間科學中心牽頭負責地面支撐系統研製、建設和運行,對地觀測與數字地球科學中心等單位參加。

常見誤區

量子衛星的信息保護措施是模擬量子糾纏的方式來保護信息,而不是超光速發送信息。以現在的發展水平來看,在月球上和地球對話還是有延遲的。