揭秘全球首顆量子衛星

科技 08-10

揭秘全球首顆量子衛星

「量子科學實驗衛星」

工作示意圖。

揭秘全球首顆量子衛星

工作人員調試超冷原子光晶格平台的激光伺服系統。新華社發

揭秘全球首顆量子衛星

潘建偉院士演示實用化量子通信產品進行遠距離保密通話。新華社發

揭秘全球首顆量子衛星

杭添仁

8月中旬，我國「量子科學實驗衛星」將擇機發射。如果該衛星運行成功，我國將成為世界上首次實現衛星和地面之間量子通信的國家，並結合地面已有的光纖量子通信網路，初步構建一個天地一體化的量子保密通信與實驗體系，在世界上率先實現全球化的量子保密通信。

神秘量子糾纏帶來保密通信

量子世界中存在一種類似「心電感應」的現象，即量子糾纏。就好比有些雙胞胎，雖然哥哥在北京，弟弟在上海，當哥哥特別高興時，弟弟也會特別高興；而哥哥特別痛苦的時候，弟弟也會特別痛苦。

量子糾纏是指在微觀世界裡，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著糾纏關係，不管它們相距多遠，只要一個粒子狀態發生變化，另一個粒子狀態也會發生相應變化，即兩個或兩個以上的穩定粒子間會有強的量子關聯，但為什麼會這樣？科學家們直到今天還沒搞清楚。

其實很久以前，人類只知道太陽會從西邊下山，第二天會從東邊升起這個現象，但為什麼會這樣當時誰也不知道。後來人們發現了萬有引力，知道了地球繞著太陽轉，本身也自轉，這才明白太陽為什麼會在第二天從東方升起。因此，量子糾纏的現象雖然現在看起來不可思議，但科學家們以後有可能搞清楚它的原理，到了那時候，這種今天看起來神秘的現象就不奇怪了。

雖然現在還弄不清量子糾纏的原理，但我們卻可以利用這一現象作為通信的手段。利用量子糾纏技術，需要傳輸的量子態信息如同科幻中描繪的超時空穿越，在一個地方神秘消失，不需要任何載體攜帶，又在另一個地方神秘出現。

實驗已證明，具有糾纏態的兩個光量子無論相距多遠，只要一個發生變化，另外一個也會瞬間發生變化。量子保密通信就是利用這個特性實現的，即基於量子糾纏態的理論，通過量子密鑰傳輸和量子隱形傳態的方式實現信息傳遞。

其過程如下：事先構建一對具有糾纏態的光量子，將這對光量子分別放在通信雙方，把具有未知量子態的光量子與發送方的光量子進行聯合測量，則接收方的光量子瞬間變化為某種狀態，這個狀態與發送方的光量子變化後的狀態是對稱的，然後把聯合測量的信息通過經典信道傳送給接收方，接收方根據接收到的信息對變化的光量子進行幺正變換（相當於逆轉變換），就可得到與發送方完全相同的未知量子態。

量子通信的關鍵要素是量子密鑰，用具有量子態的物質作為密碼。在傳遞信息的過程中，量子密鑰一旦被截獲，其自身狀態會立刻發生改變，截獲量子密鑰的人只能得到無效信息，而信息的合法接收者也能立刻察覺，直到一把新的密鑰安全無誤地被接收。

傳統的通信加密和傳輸安全都是依賴於複雜的演算法，但是只要竊取者的計算能力足夠強大，再複雜的保密演算法都能夠被破解，因此都不能夠做到絕對安全。量子通信的安全性基於量子物理的基本原理，作為光的最小粒子，每個光量子在傳輸信息的時候具有不可分割和不可被精確複製兩大特性，從而能保證信息的不可竊聽和不可破解，所以哪怕計算能力再強也是破解不了的。

信息量巨大瞬時傳遞

量子隱形傳態是基於量子疊加、量子糾纏理論，通過隱形傳輸而實現的信息傳遞方式。它利用量子糾纏技術，藉助衛星網路、光纖網路等經典信道，傳輸量子態攜帶的量子信息。這種全新的通信方式傳輸的不再是經典信息，而是量子態攜帶的量子信息。其攜載的信息量很大，因而讓一般的光纖網路和普通衛星網路只能望塵莫及，即使3G、4G甚至5G、6G網路也無法媲美。

為了進行遠距離的量子隱形傳態，往往需要事先讓相距遙遠的兩地共同擁有最大量子糾纏態。但是，由於存在各種不可避免的環境雜訊，量子糾纏態的品質會隨著傳送距離的增加而變得越來越差。因此，如何提純高品質的量子糾纏態是量子通信研究中的重要課題。20多年來，潘建偉等中國科學家在自由空間量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗方面，不斷取得國際領先的突破性成果，已從實現對單光量子的精確操縱到實現4光量子（2003年）、5光量子（2004年）、6光量子（2007年）、8光量子糾纏（2012年），為基於衛星的廣域量子通信和量子力學基礎原理檢驗奠定了堅實基礎。

另外，量子通信可實現最快的通信。研究發現，即使將兩個糾纏態亞原子粒子分隔到宇宙距離，它們之間的通信也幾乎是即刻的。與傳統光速通信相比，量子通信的線路時延為零，量子信息傳遞的過程不會為任何障礙所阻隔，所以完全環保，不存在任何電磁輻射污染。科學家已經在地球上成功做了以下實驗，將兩個糾纏光量子分開數千米，在數納秒的間隔內測量它們的自旋。結果發現，如果測量發現它們其中一個自旋是+1，知曉另一個是-1的速度至少比以光速進行通信快1萬倍。

量子通信也是超時空穿越的遠距離通信。因為它屬於隱形傳輸技術，與人類歷史上此前已有的通信技術有著本質的差異。科學實驗證實，創造兩個互相糾纏的光量子以後，哪怕將它們分開很遠，也可以通過測量其中一個的狀態來得知關於另一個的信息。所以，可以利用量子通信的特性實現與遙遠恆星系統的通信。

遠距量子通信不能沒有衛星

雖然可用光纖建造城域量子通信網路，但由於光量子易被光纖吸收，存在固有的光量子損耗，與環境的耦合也會使量子糾纏品質下降，最終導致信號在光纖傳送的過程中越來越弱，因此僅僅利用光纖難以實現遠距離的量子通信。另外，在近地面自由空間傳輸信號會受地面障礙物、地表曲率、氣象條件的影響，光量子傳輸難以在地面自由空間中向遠距離拓展。

解決這個問題有兩種可行的途徑：一種是利用量子中繼技術，即把相距較遠的通信線路分為數段，每一段的損耗因此較小，然後在量子中繼的幫助下，把光子攜帶的信息一段段如同接力賽一樣向前傳遞。另一種是進行自由空間單個光量子傳輸，這是由於大氣對某些波長的光吸收有限，到了外層空間則幾乎沒有光損耗，因此可以突破大氣層通過衛星的中轉，實現數千千米甚至是全球化的量子通信。

如果量子信號通過光纖來傳輸，它最多傳輸一兩百千米就會失去信號，而通過自由空間（包括大氣層）可以傳遞幾千千米，因此需要用衛星作為中繼站進行協助。所以，使用量子通信衛星是遠距離光量子傳輸的必由之路。它能克服地表曲率、障礙物的阻礙；光量子在光纖中的損耗遠高於自由空間的損耗，其中大氣層對光量子的吸收和散射遠小於光纖，並能保持光量子極化糾纏品質。另外，受到地麵條件的限制，很多地方無法鋪設量子通信的專用光纖。因此，若想建設覆蓋全球的量子通信網路，必須依賴多顆量子通信衛星。

發展量子保密通信技術的終極目標，是構建廣域乃至全球範圍的絕對安全的量子通信網路。可通過光纖實現城域量子通信網路連接一個中等城市內部的通信節點；通過量子中繼技術實現鄰近兩個城市之間的連接；通過量子通信衛星與地面站之間的自由空間光量子傳輸和衛星平台的中轉，實現兩個遙遠區域之間的連接。這些是目前條件下實現全球廣域量子通信最理想的途徑。

2012年，潘建偉等中國科學家曾在國際上首次成功實現百千米量級的自由空間量子隱形傳輸和糾纏分發，為發射全球首顆量子科學實驗衛星奠定了技術基礎。

尚需克服諸多技術難題

我國量子科學實驗衛星質量約640千克，由長征-2D運載火箭發射，運行於500千米太陽同步軌道，軌道傾角為97.37°，設計在軌運行壽命2年。科學家已在相距300千米的地面成功進行了量子糾纏實驗，而量子科學實驗衛星將把這個實驗帶到外層空間，連接中國和歐洲之間的量子通信網，旨在建立衛星與地面遠距離量子科學實驗平台，在國際上首次在空間大尺度下實現星地自由空間量子密鑰生成和分發，以及量子隱形傳態實驗等。

不過，在太空進行量子科學實驗非常複雜，對實驗設備要求也超乎尋常的高。例如，在空間載荷方面，衛星與地面站的微弧度要高精度跟瞄。在衛星的飛行過程中，它攜帶的兩個激光器要分別瞄準兩個地面站，向左向右同時傳輸量子密鑰。為了讓穿越大氣層後光子的「針尖」仍能對上接收站的「麥芒」，在飛行的過程中要始終保證精確對準，跟蹤要達到相當高的精度，這也是國際上從來沒有人做過的。激光器一站對準一站的有人做過，但是一顆衛星對準兩個地面站的從來沒有過，而且還要保證對得準確，這方面我國研製團隊已經在地面上做過模擬模擬實驗，但還是要到真正上天以後才知道最終成功與否，所以這也是很大的技術挑戰，如果能夠做到的話，在國際上也是第一次做這麼高精度的跟蹤和地面站配合。

該衛星的核心是一個能夠產生成對糾纏態光量子的晶體，無論它們分開多遠，其性質仍然能糾纏在一起。其第一個任務是發送這些成對量子中的一方去往在北京和維也納的地面站，並使用它們來生成密鑰；第二個任務是證明這個糾纏可以存在於相隔上千米的粒子之間，因為量子理論預測糾纏一直存在於任何距離；第三個任務是嘗試地面與衛星之間量子隱形傳態，使用通過傳統方式傳輸來的糾纏光量子對及其所攜帶的信息，在一個新位置重建光子的量子狀態。

2030年我國將建成

全球化量子通信網路

量子通信衛星運行的軌道較低，覆蓋面積小。如果要在全世界範圍內保障通信安全，大約需要 20 顆量子通信衛星。

據悉，按照規劃，我國在2016年發射首顆量子通信衛星，建設以4個量子通信地面站和1個空間量子隱形傳態實驗站為核心的空間量子科學實驗系統後，還將發射更多的量子通信衛星。到2020年，我國量子通信市場規模將達210億元。隨著量子通信在各領域的不斷滲透，預計國內量子加密潛在市場規模有望達到500億至1000億元。到2020年還要實現亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發，屆時聯接亞洲與歐洲的洲際量子通信網也將建成。到2030年左右，我國將建成全球化的廣域量子通信網路。

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