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厉害了!中国“墨子号”量子卫星

[日期:2017-10-09  阅读次数:]  

就像是一个 隐喻,来自中国的“墨子号”量子卫星从太空发出两道红色的光,看上去像极了汉字里大写的“人”字,这幅景象被当作“封面”,刊印在6月17日的美国知名学术期刊杂志《科学》上。这一次中国科学站到了世界面前,而且是挺直腰杆,站在了最前沿。

6月16日,中国量子科学实验卫星首席科学家、中国科学技术大学副校长潘建伟院士宣布:中国率先实现了“千公里级”的星地双向量子纠缠分发,打破了此前国际上保持多年的“百公里级”纪录,回答了爱因斯坦关于量子力学的“百年之问”。
    试验卫星“墨子”携带精密的光学设备,绕地球运行,并且向两个距离1200公里、建立在山顶的地面站发射信号。卫星上光学设备的用途是向地面站发送光的粒子或光子,其中加入“密匙”传送加密信息。量子保密技术在很多方面类似于现有的加密的网络金融数据技术。这是建设新型互联网努力的一部分,这种新互联网将比现在的互联网更加安全。
    目前分享敏感信息的做法是,双方先要交换复杂得数字,以此把随后发送的信息字码打乱。信息里面还包含了能够安全破解信息的密匙。但是数字本身的弱点是它能够被截获,在拥有足够计算能力的情况下,这些数字能够被破译。但是量子加密十分超前,因为它能够利用量子科学隐藏密匙。在太空真空中,因为没有原子,至少原子数量微乎其微,因此量子信号受到的干扰很少。
    这就是为什么中国的“墨子”卫星测试具有重要意义的原因。这种测试已经证明了在太空建立的网络是可行的,这个结果发表在最近一期的《科学》杂志上。
    《科学》杂志审稿人称该结果是“兼具潜在实际现实应用和基础科学研究重要性的重大技术突破”,并断言“毫无疑问将在学术界和广大的社会公众中产生非常巨大影响”。
    美国波士顿大学量子技术专家谢尔吉延科评价:这是一个英雄史诗般的实验,中国科研人员的技巧、坚持和对科学的奉献应该得到最高的赞美与承认。
    英国《自然》杂志在报道潘建伟团队量子通信科研成果时提到:这标志着中国在量子通信领域的崛起,从10年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美。
    就在一个月前,潘建伟团队研发的世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机问世。再往前,2003年,潘建伟团队实现了四光子纠缠态——一个量子纠缠研究领域基础性工作,此后多年,该团队又先后实现五光子、六光子、八光子、十光子纠缠,一直保持着多光子纠缠的世界纪录,并频频引来学界和媒体的关注。
    如今,以量子卫星最新实验为代表的成果,让中国再次挺近量子研究世界版图的中心。属于中国的量子时间似乎正在到来。
    “世纪之问”:全球大国新博弈
    如今,一个不难描述的未知问题摆在人类面前——在人类肉眼看不到的微观世界中,事物究竟是以“概率”而存在的,还是“确定”存在的?量子力学正是微观世界“概率论”的最大支持者。量子论里有一种特性,即量子纠缠,简单来说,两个处于纠缠状态的量子,就像有“心灵感应”,无论这些粒子之间相隔多远,只要一个粒子发生变化,另外的粒子也会即刻“感知”,随之发生变化。
    不过,爱因斯坦并不买账,并讽刺这个现象为“幽灵般的超距作用”。也因此,他和波尔等科学巨擘为此展开激烈争论,并留下一个“世纪年之问”:上帝掷骰子吗?
    全球相关领域的科学家,甚至是一些执政者都为这个问题着迷。因为,一旦这种特殊性得到最终验证,就有一个最为直接的应用,即通过量子纠缠所建立起来的量子信道不可破译,成为未来保密通通信的“终极武器”。
    按照潘建伟的说法,要让量子通信实用化,需要实现量子纠缠的“远距离”分发。一代又一代学者接力走下来,人类似乎遭遇了“瓶颈”:由于量子纠缠“太脆弱”,会随着光子在光纤内或地表大气中的传输距离而衰减,以往的实验只能停留在“百公里”量级的距离。潘建伟粗略测算过,使用光纤进行量子分发,传输“百公里”距离,损耗已达99%;传输“千公里”的距离,每送1个光子大约需要3万年,完全丧失了通信的意义。
    于是,一场大国间的“量子通信”竞赛就此出现,谁先冲到“千公里”的距离,似乎就能在这场赛跑中领先。潘建伟说:“大家不断地去‘拉长’这个距离,以此来验证量子纠缠的原理,步步逼近量子通信的实用目标。”
    “弯道超车”:中国在太空领跑
    事实上,在量子物理学诞生的一百多年里,有关研究始终长盛不衰。但是,在只争朝夕的国家可以竞争前几十年,一直难以见到中国人的身影。起步晚,是中国人甩不掉的标签,但这并不妨碍我们“弯道超车”。
    2003年,潘建伟团队开始实验“长距离”量子纠缠,从13公里到100公里,从追赶走向超越。2012年8月9日,国际学术期刊《自然》杂志以封面标题形式发布了潘建伟团队的研究成果:他们在国际上首次成功实验了“百公里”量级的自由空间量子隐形传输和纠缠分发。
    这一成果不仅刷新世界纪录,有望成为远距离量子通信的里程碑,而且为发射全球首颗量子科学实验卫星即如今的“墨子号”奠定了技术基础。同年12月6日,《自然》杂志为该成果专门撰写了长篇新闻特稿《数据隐形传输:量子太空竞赛》,详细报道了这场激烈的量子太空竞赛。
    又过了4年,潘建伟团队通过发射“量子号”卫星,将“量子纠缠”的实验距离拉倒“1200公里”,把科学家一直假想的实验变成了现实,也让中国量子在太空中领跑全球。
    加拿大滑铁卢大学量子技术专家延内魏因说,国际上确实存在量子科研竞赛。“中国团队已克服了好几个重大技术与科学挑战,清楚地表明了他们在量子通信领域处于世界领先地位。”
    相应地,类似的实验,欧盟、加拿大、日本都有科学家在呼吁和推进。但或因技术积累不够,或因资金支持不够,目前进展缓慢。
    以美国为例,2015年美国航空航天局宣布一项计划:在其总部与喷气推进实验室之间建立一个直线距离600千米、光纤皮长1000千米左右、10个中转基站的远距离光纤量子通信。不过,目前该计划尚未有实际进展的最新信息。
    2015年年末,英国政府发布的《量子时代的技术机遇》报告显示,中国在量子科技的论文发表上排在全球第一、专利应用排名第二。在“第二次量子革命”的起步阶段,中国异军突起进入“领跑阵营”。
    如今,在最新量子太空竞赛中,中国“墨子号”再次独占鳌头,第一个冲过“千公里”量级的跑线。参与这次实验的两个地面站分别是青海德令哈站和云南丽江高美古站,两站距离1203公里。有评论称,发射后仅仅数月,世界上首颗量子通信卫星就已经达到了它最具雄心的目标之一,量子通信向实用迈出一大步!
    什么是量子力学
    量子力学是描述微观物质的一种物理学理论,与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱,许多物理学理论和科学如原子物理学、固体物理学、核物理学核粒子物理学以及其他相关的学科都是以量子力学位基础。19世纪末,经典力学和经典动力学在描述微观系统时的不足越来越明显。量子力学是在20世纪初由普朗克、尼尔斯•玻尔、沃纳•海森堡、薛定谔、沃尔夫冈•泡利、德布罗意、马克思•玻恩、恩里科•费米、保罗•狄拉克等一大批物理学家共同创立的。通过量子力学的发展,人民对物质的结构以及其相互作用的见解被革命化地改变。通过量子力学,许多现象才得以真正地被解释,新的、无法直觉想象出来的现象被预言。这些现象可以通过量子力学被精确地计算出来,而且后来也获得了非常精确的实验证明。除通过广义相对论描述的引力外,至今所有其他物理基本相互作用均可在量子力学的框架内描述(量子场论)。
    什么是量子纠缠
    量子纠缠是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象,虽然粒子在空间上可能分开。
    纠缠是关于量子力学理论最著名的预测。它描述了两个粒子互相纠缠,即使相距遥远距离,一个粒子的行为将会影响另一个的状态。当其中一颗被操作(例如量子测量)而状态发生变化,另一颗也会即刻发生相应的状态变化。实际上的纠缠作用并不很远,而且一旦干涉其中的一方,纠缠态就会自动消除。
    量子纠缠技术是安全的传输信息的加密技术,与超光速传递信息无关。尽管知道这些粒子之间“交流”的速度很快,但我们却无法利用这种联系以如此快的速度控制和传递信息。因此爱因斯坦提出的规则,也即任何信息传递的速度都无法超光光速,仍然成立。
    什么是量子通信技术
    量子通信技术是利用微观粒子的量子态或量子纠缠效应等进行密钥或信息传递的新型通信方式。(转载《中国计量》与网络)