一個巨大的進步：國際著名科學家評中國首顆量子科學實驗衛星
2016-08-16 11:19 量子 科學
文章授權轉載自知識分子公眾號（ID：The-Intellectual)，作者林梅。
國際同行如何看「墨子」？
2016年8月16日凌晨1：41，備受矚目的中國首顆量子科學實驗衛星「墨子」在酒泉成功發射升空。
這顆衛星肩負著怎樣的使命？它的科學價值是什麼？全球的量子信息研究格局是否會因此改變？國際同行如何看待全球首顆量子科學實驗衛星的發射？
《知識分子》特邀部分國際同行對全球首顆量子科學實驗衛星發表評論。
義大利帕多瓦大學光學和雷射納米技術教授Paolo Villoresi（圖片來源：Microsoft Academic Search）
對於量子信息研究來說，地面上的量子通信應用進展迅速，但自由空間量子通信還很落後，所以衛星在太空中實現量子通信實驗是一個巨大的進步。
中國的量子空間衛星將為全球量子通信系統提供一個試驗臺。事實上，此次太空中有一些開放的實驗項目我們是很感興趣的。
我想，空間量子通信最初可能有點像早期的人造衛星,比較笨拙——被稱為「無用的大塊鐵」，但一段時間後,就會變得像彩虹般有趣，提供很多有用的服務和信息。
維也納大學物理學教授Anton Zeilinger（圖片來源：vcq.quantum.at）
我們正在與QUESS（Quantum Experiments at Space Scale，空間尺度的量子實驗）的團隊進行合作，我們負責搭建歐洲的地面站。合作進行得很順利。在我看來，中國和奧地利之間實現洲際量子密鑰分發將是最有趣的。未來，全球範圍的量子網際網路必然包括地面網絡連接和空間網絡連接，而QUESS將首次提供洲際網絡連結。
這是首次實現全球尺度下的量子通信，是邁向未來量子網際網路的重要一步。另外，它將提供迄今為止最大尺度的量子糾纏驗證，未來如果運行順利，它也一定會為相對論的驗證提供重要信息。
中國在基礎量子實驗及其應用領域都做得非常出色。在下一次量子革命中，中國無疑是一個主要參與者。
諾貝爾物理學獎得主、伊利諾伊大學香檳分校物理學教授Anthony J. Leggett（圖片來源：physics.illinois.edu）
在太空上遠距離地對量子力學的預測進行檢驗，我認為這將是非常有趣的一項試驗。我特別感興趣的是（即便在這顆衛星上無法實現），讓人類觀測員進行「貝爾－EPR」的測試[1]；假設他們的報告能夠得出明確的結果，那麼這就會為客觀的定域性理論等此類問題的「棺材」上釘上最後一根釘子。
如果此次量子科學實驗衛星上的實驗能夠獲得成功，那麼它肯定會為最終的「量子網際網路」打下堅實的基礎。但量子網際網路是否將成為未來全球通信的潮流？我認為，量子網際網路是否會建立起來，這取決於國際社會是否認為這種系統的收益是否大於成本。
（以上引自Anthony J. Leggett接受《科學新聞》時給出的評論，《知識分子》獲《科學新聞》授權使用。）
從原理到應用，深度解讀中國首顆量子科學實驗衛星
「如果能弄明白為什麼會有量子糾纏，我立即死都願意。」中國科學技術大學物理學教授潘建偉不久前在央視《開講啦》曾這樣表示。
潘建偉在央視《開講啦》
20多年前，潘建偉因對量子力學著迷而選擇了從事量子光學、量子信息和量子力學基礎問題檢驗的研究。
「墨子」的升空，在科學上將進一步檢驗量子力學基本原理。
在人類科學史上，可能沒有一個學科像量子力學這樣，幾乎動用了近代所有物理學家的智慧，其本質仍在幽暗中閃爍，令人困惑。
「如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論。」
說這話的人不是別人，是量子物理學大師級人物——尼爾斯·玻爾（Niels Henrik David Bohr）。
尼爾斯·玻爾。來源：Wiki
在量子的世界裡，盒子裡的一隻貓可以既死又活，直至我們打開盒子看看它；相距遙遠的一對粒子可以存在「心靈感應」，一個粒子的狀態隨另一個瞬時變化。前者，我們叫它「量子疊加」，而後者，則是「量子糾纏」。
量子態疊加是指粒子可以同時處於不止一種狀態的相干疊加。例如，同一時刻，電子自旋方向可以既是順時針又是逆時針，或者原子同時處於激發態和基態[2]。而量子糾纏是指，兩個微觀世界的粒子可以具有某種狀態上的關聯，無論它們距離多遠，只要其中一個被測量到處於某種狀態，另一個也會在同時塌縮到某種狀態。
量子世界裡這兩種帶有神秘色彩的性質讓無數物理學家為之著迷。在探尋其本質的道路上，世界上最頂尖的大腦共同推動著量子物理革命的發生，經典物理的大廈轟然倒塌。人類花了百年的時間，試圖探究量子世界的圖景。
1量子密鑰的應用
科學家現在還無從得知量子疊加的機制，但這一現象早已被實驗證實並走向應用，其中，量子密鑰是發展最為迅猛的一個。
在人類的通信史上，信息傳遞得更快、更遠、更安全、更高效，一直是人類追求的方向。而以量子理論為基礎的量子通信技術，以其絕對的保密性能，被看作是未來保障信息安全的有力工具。
所謂密鑰，顧名思義，就是用來加密和解密的密碼本，我們可以想像成用來加鎖和解鎖的鑰匙。
在傳統的密碼學中，採用的密鑰有兩種——公鑰和私鑰。私鑰是一種對稱密鑰——加密的人和解密的人用同一套密碼，好比加鎖和解鎖的人用同一把鑰匙。這種方法有一個致命缺陷，那就是即使不惜耗費資源，一次一密，也很難保證這把鑰匙半路不被人偷看、複製。所以，在實際應用中，公鑰是更普遍的選擇，它是一種非對稱密鑰，加鎖和解鎖用的鑰匙不一樣，解密用的密碼需要對公鑰進行大數分解之類的複雜算法才能得到，也就是說，這種秘鑰即使被竊聽複製也沒關係，它的安全性依賴於複雜的算法，理論上竊聽者破解起來需要成千上萬年。
但是隨著竊聽者計算能力的提高，特別是量子計算機一旦成為現實，這些複雜的算法破解起來很可能易如反掌。怎麼辦？有量子計算機，就有量子密鑰。
與傳統私鑰不同的是，量子密鑰的密碼本再也偷不走，因為這種密碼本是由微觀量子態表示的量子密碼。
根據量子物理的基本原理，微觀量子態不可分割、不可克隆，就比如盒子裡那隻既死又活的貓，你一旦打開盒子看，貓就要麼死要麼活，再也不是原先那種既死又活的狀態了，這一性質從原理上保證了量子密鑰的安全性。
以著名的BB84協議[3]為例，信息的發送方發送一個個單光子給接收方，接收方收到光子後，逐個進行測量。對於微觀量子態來說，測量方式會影響測量結果，接收方只有用與發送方一致的測量方式，才能得到與發送方一致的結果。所以，接收方將接收每一個光子時的測量方法告訴發送方。發送方通過對比，保留下與自己測量方式相同的那些光子，告訴接收方，這就形成了量子密鑰。根據不可克隆原理，如果有人中途對光子進行攔截和測量，會改變光子的狀態，竊聽行為也就無法得逞。
因此，到目前為止，量子通信實際上指的就是量子密鑰分配技術，也就是傳送密鑰。對通信雙方來說，只要交換並確認共享了絕對安全、且隨時可以更換的密鑰，再用此密鑰對數據進行加密，那麼即使在普通網絡上傳送理論上也是絕對安全的。
當然，原理上的絕對安全不意味著實現起來完全沒有漏洞，實際使用中，光子源品質好壞、探測器效率高低等等，都可能成為攻擊者的目標。但這些都是技術層面上的問題，只要量子力學依然奏效，量子通信的絕對安全就值得期待。
2星地量子通信與全球量子通信網絡
因為全球光纖網絡的飛速發展，基於光纖技術的量子通道是最容易建立的。但人們很快發現，光纖的衰減效應成為量子通信技術向遠距離發展難以逾越的門檻。
在經典通信下，光纖信號的衰減可以通過放大器件進行放大後傳輸，只要建立好中繼站，光纖網絡便可以遍布全球。但到了量子通信，由於信息載體是單個的光子，量子的不可複製性也決定了單光子的信號是不可放大的，由於光纖固有的光子損耗，光量子傳輸很難更遠距離拓展。
基於自由空間[4]的量子通信技術則成為當前實現全球量子通信網絡的一個最優選擇。
考慮到地球曲率、傳輸距離、大氣、天氣等影響，在地球表面，100公裡級別的自由空間的量子密鑰分發幾乎已經是極限，於是，基於低軌衛星中轉的量子通信可謂實現目標的最佳方案。
外太空的真空環境對光的傳輸來說是最好的媒介，幾乎不存在大氣引起的衰減和退相干效應，利用衛星作為中轉平臺，科學家們可以在地球上的任意兩點之間建立起量子信道，極大地擴展了光子的傳輸距離。
理論上，只要我們能夠實現將光子傳出大氣層，配合星載平臺技術和光束精確定位技術，就有可能實現真正覆蓋全球的量子通信網絡。
3中國首顆量子衛星
由中國科學院院士潘建偉擔任首席科學家的中國首顆量子科學實驗衛星，8月16日凌晨在酒泉衛星發射中心由長徵二號丁運載火箭發射至高度為500公裡的預定軌道，衛星有效載荷包括量子糾纏源、量子糾纏發射機、量子密鑰通信機和量子實驗控制與處理機，共同完成糾纏光子的生成、發送、地面通信以及實驗控制。
廣域量子通信網絡。來源：qnet.ustc.edu.cn
同時，地面建設有四個量子通信地面站（南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站）和一個空間量子隱形傳態實驗站（阿里量子隱形傳態實驗平臺），在中國科學技術大學的量子科學實驗衛星控制中心的指揮和調度下，完成四項重要的科學實驗：星地高速量子密鑰分發實驗、廣域量子通信網絡實驗、星地量子糾纏分發實驗、地星量子隱形傳態實驗。
地星量子隱形傳態。來源：qnet.ustc.edu.cn
其中，四個量子通信地面站主要參與量子密鑰分發和量子糾纏分發，前者需要藉助高精度的捕獲、跟蹤、瞄準系統，在地面與衛星之間建立超遠距離的量子信道，進行衛星與地面之間、基於誘騙態和基於糾纏的量子密鑰生成和分發，實現衛星與地面之間以量子密鑰為核心的絕對安全的保密通信試驗，並在此基礎上，與光學地面站及其附屬的局域光纖量子通信網絡相結合，通過衛星中轉的方式組建真正意義的廣域量子通信網絡；而後者，則需要衛星上的量子糾纏光源同時向兩個地面站分發糾纏光子，在完成量子糾纏分發後，對糾纏光子同時進行獨立的量子測量。通過對千公裡尺度上量子糾纏態的觀測，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。
而西藏阿里站的主要任務是配合衛星一起進行量子隱形傳態研究。該實驗將在量子存儲的幫助下，探索衛星與地面之間真正意義遠距離量子隱形傳態的可行性，在類空間條件下完成量子力學非定域性的實驗檢驗。
西藏阿里地面站。來源：qnet.ustc.edu.cn
另外，衛星在軌還將首次進行洲際量子密鑰分發，衛星產生成對糾纏態光子，並將它們中的一方發送至位於北京和維也納的地面站，進而生成密鑰，連接中國和歐洲的量子通信網。
但是，在太空進行這些實驗難度相當大，地面站和在軌的衛星進行通信，需要根據衛星軌道和望遠鏡的天文指向，在地面站和衛星之間建立一個鏈路，地面站跟瞄要達到相當高的精度，才能建立捕獲並維持穩定的鏈路對準，完成量子通信。在衛星高速飛行的同時，如何保證衛星上的兩個雷射器同時瞄準相距遙遠的兩個地面站，並同時傳輸密鑰？這種衛星與兩個地面站的高精度跟瞄在國際上也屬首次。此外，近衍射極限量子光發射、高保偏量子信號的偏振調製、高品質的糾纏光子源等等，都是這顆衛星的技術法寶。因此，這顆衛星帶上天的是科研團隊多學科、長時間在量子密鑰分發、多光子糾纏、量子隱形傳態等方面技術水平的集中體現。
4「天地一體化」網絡初步建成
中國此次發射的量子衛星主要任務是將地面上的量子糾纏實驗「搬到」外層空間，即通過連接地面上的量子通信網，完成星地量子保密通信、星地量子糾纏分發、星地量子隱形傳態等實驗。
可以說，這顆量子衛星肩負著科學和技術的雙重使命。
從科學的角度說，量子糾纏和量子隱形傳態，是量子力學領域當中最「詭異」的現象，連愛因斯坦也為此困擾，稱之為「幽靈般的超距作用」。雖然量子通信體系速度無法突破光速，但兩個遙遠糾纏粒子之間的「非局域」關聯，仍不時地試探著相對論的邊界。此次衛星在軌，就是首次在大尺度的空間對量子理論進行相關檢驗，即驗證糾纏光子分開千公裡的尺度後，是否依然保持糾纏特性，並千公裡的尺度上通過測量貝爾不等式，檢驗量子力學基本原理。
而從技術的角度，衛星在軌的重要實驗目標就是完成星地量子保密通信。這是目前世界唯一的星地量子信道，下一步，通過衛星將地面站、地面光纖網絡及其他地面終端連接，如果運行順利，天地一體化的量子通信網絡將初步成為現實，人們有望實現全球量子密鑰初步業務化運行。
完整的空地一體廣域量子通信網絡體系的構建，在國防、政務、金融和能源等領域將率先加以廣泛應用，與經典通信網絡進行連接，形成具有國際引領地位的戰略性新興產業和下一代國家信息安全生態系統。
值得一提的是，「墨子」衛星的此次洲際量子密鑰分發演示，也為國際同行開放了天地一體化實驗平臺。國內外同行均可申請使用衛星與自建地面站開展各種方案的星地量子密鑰分發和提取的關鍵技術研究。
5展望「全量子時代」
若要通過星地量子廣域網的方式實現覆蓋全球的量子通信，一個可以預見的方案是：地面的區域網（比如實用化城域光纖量子通信網絡）可以利用量子中繼技術建立並實現傳輸和覆蓋，而在兩個區域之間利用衛星實現自由空間光量子傳輸和衛星平臺的中繼，從而實現兩個分隔遙遠的地面光纖網絡的相互聯通。
更進一步，未來若發射更多的量子通信衛星，空間衛星有望形成網絡，那時基於衛星網絡的全球化量子通信可能成為現實。通過衛星組網，可以有效突破地影區限制，星載量子存儲、星間量子中繼、超遠距離量子糾纏分發都可以通過衛星網絡實現。
我們甚至可以大膽想像，有一天，網際網路將以量子計算機作為節點，通過量子信道進行連接，量子網絡中傳送的信息大部分不再是經典的0或1，而是由量子態，高效率的量子計算配合高保密的量子通信，「量子網際網路」得以實現。
雖然距離這一天還有很長的路要走，但是當那一天到來的時候，我們的下一代回望過去也許會感嘆，自全球首顆量子衛星「墨子」號升空始，基於衛星的全球化量子通信網絡建成後，錦江春色，玉壘浮雲，全世界的通信格局得以深刻改變。
［文章授權轉載自知識分子公眾號（ID：The-Intellectual)，作者林梅。文章僅代表作者個人觀點，不代表i黑馬立場，題圖來自123RF。推薦關注i黑馬（ID：iheima)。］