墨子星際首航 探索物理幽靈

1、墨子星際首航 探究物理幽靈上圖：在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，“墨子號太陽帆板展開試驗(yàn)準(zhǔn)備2019年7月30日攝。底圖：中國成功發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星4個有效載荷：量子密鑰通信機(jī)量子糾纏發(fā)射機(jī)量子糾纏源量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)意義：在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面間的量子通信，天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)正式運(yùn)行。衛(wèi)星質(zhì)量：640kg傾角：97.37在軌設(shè)計壽命：2年量 子量子是構(gòu)成物質(zhì)的根本單元，是能量的最根本攜帶者，不可再分割。比方，光子是光能量的最小單元，不存在“半個光子，同理，也不存在“半個氫原子“半個水分子等等。量子通信利用光子等量子的狀態(tài)疊加和糾纏等根本物理原理實(shí)現(xiàn)的信息傳輸。量子通信的特點(diǎn)是：超

2、大信息容量、超高通信速率、超遠(yuǎn)間隔 傳輸。量子糾纏類似孫悟空和他的分身，二者無論間隔 多遠(yuǎn)都“心有靈犀。當(dāng)兩個微觀粒子處于糾纏態(tài)，不管別離多遠(yuǎn)，對其中一個粒子的量子態(tài)做任何改變，另一個會立即感受到，并做相應(yīng)改變。16日凌晨，被命名為“墨子號的中國首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星開啟星際之旅。它承載著率先探究星地量子通信可能性的使命，并將首次在空間尺度驗(yàn)證量子理論的真實(shí)性。為什么研發(fā)量子衛(wèi)星？信息平安的終極武器在量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士看來，假如說地面量子通信構(gòu)建了一張連接每個城市、每個信息傳輸點(diǎn)的“網(wǎng)，那么量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星就像一桿將這張網(wǎng)射向太空的“標(biāo)槍。當(dāng)這張縱橫寰宇的量子通信“天地網(wǎng)織就，海量信息

3、將在其中來去如影，并且“無條件平安。量子科學(xué)，對絕大多數(shù)人來說非常高冷。但當(dāng)它與信息技術(shù)相連，就與我們每個人息息相關(guān)。當(dāng)今社會，信息的海量傳播背后也充滿著信息泄露的風(fēng)險。而量子科學(xué)那么為信息平安提供了“終極武器。量子通信系統(tǒng)的問世，點(diǎn)燃了建造“絕對平安通信系統(tǒng)的希望。當(dāng)前，量子通信的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)成為各個大國爭相追逐的目的。誕生百年的量子理論的奇妙之處在實(shí)驗(yàn)室里被不斷重復(fù)檢驗(yàn)，但卻從未在太空尺度驗(yàn)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(yàn)證。2019年，中科院正式啟動全球首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的研制，這既意味著中國科學(xué)家率先

4、向星地量子通信發(fā)起挑戰(zhàn)，更意味著中國或?qū)㈩I(lǐng)先歐美獲得量子通信覆蓋全球的才能。量子通信憑什么絕對平安？一旦竊聽必然會被覺察在物理王國里，量子理論是一個百歲的“幽靈，愛因斯坦也曾被它的“詭異所困擾。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(yuǎn)也具有“心電感應(yīng)，一個發(fā)生變化，另一個會瞬時發(fā)生相應(yīng)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(gòu)成了量子通信平安的基石。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(zhǔn)的特性，所以一旦存在竊聽就必然會被發(fā)送者覺察并躲避。“傳

5、統(tǒng)的信息平安都是依賴于復(fù)雜的算法，只要計算才能足夠強(qiáng)大，再復(fù)雜的保密算法都可以被破解。量子通信能做到絕對平安，是由量子自身的特性所決定的，計算才能再強(qiáng)也破解不了，因此它是革命性的，可從根本上、永久性解決信息平安問題。潘建偉說。國際科學(xué)界怎么看？紛紛點(diǎn)贊 期待合作中國16日成功發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星后，多名外國科學(xué)家對于這個工程接納奧地利科學(xué)家參加表示贊賞，希望以此進(jìn)一步帶動國際合作。美國波士頓大學(xué)的量子物理學(xué)家亞歷山大謝爾吉延科說：“這個事確實(shí)很讓人沖動，因?yàn)樗鞘状伍_展此類試驗(yàn)，因此對全球都有重要意義。“科學(xué)是無邊界的，中國和奧地利科學(xué)家合作的這個量子衛(wèi)星工程正是讓人興奮的明證，英國劍

6、橋大學(xué)量子物理學(xué)教授阿德里安肯特對記者說。俄羅斯量子中心的“量子通信研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)人庫羅奇金說：“在將來量子計算機(jī)時代，只有量子通信可以保證信息平安。他認(rèn)為，量子通信研究目前有幾個開展方向，一是查找構(gòu)建量子通信網(wǎng)所面臨的技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)；二是針對可能出現(xiàn)的攻擊量子通信的手段，提早制訂某些防范方案；三是為構(gòu)建量子通信系統(tǒng)，各方應(yīng)達(dá)成哪些必要協(xié)議。量子衛(wèi)星設(shè)想如何實(shí)現(xiàn)？十余年努力不斷創(chuàng)造傳奇此刻，量子衛(wèi)星已在太空軌道上翱翔。而它最初的設(shè)想，始于十幾年前。2019年，31歲的潘建偉從歐洲回國，在中科大組建了量子信息實(shí)驗(yàn)室。2019年，當(dāng)大多數(shù)人仍致力于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的原理性演示時，潘建偉和同事們已經(jīng)萌生了“

7、天地一體化量子通信網(wǎng)的初步設(shè)想，“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星正是這個設(shè)想中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)?！肮び破涫?，必先利其器。圍繞這一遠(yuǎn)景目的，潘建偉團(tuán)隊開場了十余年的技術(shù)積累。他帶著團(tuán)隊在自由空間量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)等方面不斷獲得國際領(lǐng)先的打破性成果。2019年，潘建偉團(tuán)隊在世界上第一次實(shí)現(xiàn)13公里自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)，證實(shí)光子穿透大氣層后，其量子態(tài)可以有效保持，從而驗(yàn)證了星地量子通信的可行性。隨后，他們又不斷創(chuàng)造“傳奇：16公里自由空間量子隱形傳態(tài)、百公里級自由空間量子通信、星地量子通信的全方位地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為星地量子通信打下了堅實(shí)根底。經(jīng)過十多年的開展，中國在量子通信領(lǐng)域已成為名副其實(shí)的世

8、界勁旅。而這十多年間，從設(shè)想、攻關(guān)、立項(xiàng)到打破，人類歷史上第一顆量子通信衛(wèi)星終成現(xiàn)實(shí)。上天做什么?4種武器挑戰(zhàn)4大實(shí)驗(yàn)任務(wù)目前，國際上還沒有一個國家將量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)送入空間，量子衛(wèi)星的研制沒有任何經(jīng)歷可循，過程充滿了困難和挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家在量子衛(wèi)星上搭載了自主研發(fā)的“四種武器：量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源和量子試驗(yàn)控制與處理機(jī)。同時，在地面建立了科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，包括1個中心合肥量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺。衛(wèi)星與地面站共同構(gòu)成天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在兩年的設(shè)計壽命期間將進(jìn)展四大實(shí)驗(yàn)任務(wù)星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、廣域

9、量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)、地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。潘建偉介紹，實(shí)驗(yàn)大致分為三類：第一類是進(jìn)展衛(wèi)星和地面之間的量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)天地之間的平安通信，假如4個地面站任何兩兩之間都可以實(shí)現(xiàn)平安的通訊，即可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)；第二類相當(dāng)于把量子實(shí)驗(yàn)室搬到太空，在空間尺度檢驗(yàn)量子理論；第三類是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面千公里量級的量子態(tài)隱形傳輸。實(shí)驗(yàn)有多難？天上針尖要對準(zhǔn)地上麥芒天地量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)非常復(fù)雜，對天地實(shí)驗(yàn)設(shè)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(shù)難題才拿下。比方量子糾纏源，它只有機(jī)頂盒的大小，作用卻非常關(guān)鍵，它可以產(chǎn)生糾纏光，這是量子衛(wèi)星在空中做各種

10、實(shí)驗(yàn)的源頭。平時實(shí)驗(yàn)室里糾纏源的體積非常宏大，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(shí)現(xiàn)了滿足空間環(huán)境要求，在國際上是首次實(shí)現(xiàn)。量子衛(wèi)星對精準(zhǔn)控制的要求也前所未有的高。量子衛(wèi)星系統(tǒng)總師朱振才介紹，量子衛(wèi)星飛行中，攜帶的兩個激光器要分別瞄準(zhǔn)兩個相距上千公里的地面站，向左向右同時傳輸量子密鑰，且衛(wèi)星上的光軸和地面望遠(yuǎn)鏡的光軸要始終準(zhǔn)確對準(zhǔn)，就好比衛(wèi)星上的“針尖對地面上的“麥芒?？蒲袌F(tuán)隊進(jìn)展了各種實(shí)驗(yàn)，考驗(yàn)超遠(yuǎn)間隔 “挪動瞄靶才能，最終打破了星地光路對準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)，通過平臺和載荷兩級控制的方式，對準(zhǔn)精度可以到達(dá)普通衛(wèi)星的10倍?！凹す馄饕徽緦σ徽居腥俗鲞^，但一顆衛(wèi)星對準(zhǔn)兩個地面站國際上

11、還從來沒有過。假如成功的話，在國際上也是首次實(shí)現(xiàn)這么高精度的跟蹤和地面站配合。中科院國家空間科學(xué)中心主任吳季說。下一步怎么走？璀璨星群引領(lǐng) 量子互聯(lián)網(wǎng)時代潘建偉說，“墨子號發(fā)射以后，假如效果到達(dá)預(yù)期，下一步還方案發(fā)射“墨子二號“墨子三號。“單顆低軌衛(wèi)星無法覆蓋全球，同時由于強(qiáng)烈的太陽光背景，目前的星地量子通信只能在夜間進(jìn)展。要實(shí)現(xiàn)高效的全球化量子通信，還需要形成一個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。將來，一個由幾十顆量子衛(wèi)星組成的“璀璨星群，將與地面量子通信干線“攜手，支撐起“天地一體的量子通信網(wǎng)。到2030年左右，中國力爭率先建成全球化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。在此根底上，構(gòu)建信息充分平安的“量子互聯(lián)網(wǎng)，形成完好的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈和下一代國家主權(quán)信息平安生態(tài)系統(tǒng)。將如何改變百姓生活？不用擔(dān)憂 電子賬戶被盜用在潘建偉看來，量子通信的應(yīng)用前景，就像 的普及過程一樣，將逐步進(jìn)展，蔚為可觀。“一開場，量子通信可能會應(yīng)用于國防、金融、政務(wù)、科學(xué)研究等，之后會在群眾中