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量子科学实验卫星即将发射一场光子在空间的舞蹈

归档日期:07-29       文本归类:发射差角      文章编辑:爱尚语录

  8月中旬,我国将择机发射首颗“量子科学实验卫星”。如果卫星成功运行,我国将成为世界上第一个实现卫星和地面之间量子通信的国家。量子通信,听上去如此酷炫,究竟是什么?解放日报·上海观察记者从中科院有关专家那里了解到一些基础知识,给大家先来个热身运动,科普一下。

  随着当今世界信息技术的迅猛发展,以微电子技术为基础的信息技术即将达到物理极限,而以量子效应为基础的量子通信,即将开启一次新的技术革命。量子通信是一种利用量子力学基本原理、量子系统特有属性以及量子测量方法来实现信息传递的通信技术。由于高效率和绝对安全等特点,量子通信已成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。

  在微观领域中,某些物理量的变化是以最小的基本单位跳跃式进行的,并不是连续的,这个最小的基本单位叫做量子,如原子、电子、光子等。一个世纪以来,人类对量子的研究已经逐渐形成了一门重要的学科——量子力学。

  对量子通信来说最重要的两个理论基础便是不确定性原理和不可克隆原理。1927年德国著名科学家海森伯提出了量子力学的不确定性原理,它表明:一个量子的某些物理量(如位置和动量,或方位角与动量矩,还有时间和能量等),不可能同时具有确定的数值,其中一个量越确定,另一个量的不确定程度就越大。

  而量子的不可克隆则是另一条量子力学的基本原理:量子被认为是不可复制的。如果一枚旋转着的硬币是量子世界中一个物体,一旦你要复制它,势必要对它进行测量,这种外来的行为就会改变它的运动状态。也就是说,任意量子的状态,在受到复制或测量时,都会发生变化。换个角度说,量子一旦被测量过,就不再是原来的那个量子了。

  在量子力学中存在着另一重要的奇特现象——纠缠效应。在量子物理中,有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系,不管它们被分开多远,只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子,即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远,都能“感知”和影响对方的状态,这就是量子纠缠现象。

  尽管爱因斯坦最早注意到微观世界中这一现象的存在,但却不愿意接受它,并斥之为“幽灵般的超距作用”。他认为宇宙的组成部分是相互独立的,它们之间的相互作用受到了时空的限制,是定域性的。为此,爱因斯坦与另一最伟大的科学巨人玻尔,在量子力学的物理诠释以及相关的科学哲学问题上展开了激烈交锋,史称“关于物理学灵魂的论战”。以玻尔为代表的哥本哈根学派认为任何两个物质之间,不管距离多远,都有可能相互影响,不受四维时空的约束,是非定域的,宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。这场深刻的科学和哲学问题争论一直持续了很多年,成为了科学发展史上的一个重大事件。

  为支持玻尔的理论,爱尔兰物理学家贝尔在1962年提出了著名的贝尔不等式,以论证量子物理必须违背定域性原理。近些年来,贝尔不等式已通过了各种各样的实验验证,实验所得到的结果符合量子力学理论的预测,并且显示某些量子效应貌似能够以超光速行进。主流量子力学教科书也已将贝尔定理视为基础物理定理。在1982年,法国物理学家爱斯派克特和他的小组成功地完成了一项实验,证实了微观粒子“量子纠缠”的现象确实存在。

  当前普遍使用的以数学为基础的密码体制始终存在着被破译的风险。科学家们提出了量子密码的概念,并把它成功地应用于通信系统中。与以往的密码体制不同,量子密码以量子力学中的不确定性原理和不可克隆原理为基础,量子通信过程中如果存在窃听或者对信息的复制,就是一种测量行为。通过这两个量子力学的基本原理可知,窃听者永远无法测得量子体系的全部信息并获得复制品。因此从理论上讲,量子通信是绝对安全的。

  在以量子纠缠效应为基础的量子通信中,科学家们巧妙地利用了量子纠缠现象实现了密钥的制作,即通信双方密码本的制备。在正式通信前,通信双方事先储备了大量的纠缠粒子对。当通信一方对自己这边的纠缠粒子进行一定操作时,通信另一端处于纠缠状态的粒子就会有相应的反应,通信双方便可以利用这种“感知”,建立起默契,制作出通讯所需的密钥。

  另一种产生量子密钥的方法,则是被称作BB84的方案。两位科学家贝内特和布拉萨德在威斯纳的电子钞票启发下,于1984年提出了这个量子密码分配协议,后来被命名为BB84方案。该分配方案利用单个光子来携带一个比特的信息,根据量子的不可分割性,这一个比特的信息也是不可分的,也就无法用分流信号的办法来窃听。

  目前,量子通信系统的应用研究基于传输介质的不同主要有两种,即光纤和自由空间的量子通信。

  以光纤为依托,融激光技术、光纤技术、计算机技术、通信技术、网络技术等为一体的,以交互方式传递信息数据的“信息高速公路”已经广泛使用,相关技术已经比较成熟,这些都为进行基于光纤的量子通信提供了有利条件。但是由于地球曲率的影响和光纤损耗的增加,在地面间实施远距离量子通信很困难,如光纤中的光子衰减问题,使得纠缠态的两点之间距离最多只有100公里。而光子在自由空间中传输可大大突破这种传输距离限制,因此星地量子通信成为一种更好的选择。

  要在浩瀚的宇宙中实现卫星与地面之间的量子通信,首先要通过一个捕获、跟踪、瞄准系统(ATP系统)建立起量子密钥分配所需的量子通信信道。密钥分配的通信链路建立之后,通信系统利用单光子偏振态加载信息,根据相应的量子密钥分配协议,便可在通信两端产生绝对安全、无法窃听的共享密钥。明文以此密钥加载,就可以通过经典信道进行保密传输,从而实现星地间的量子通信。通过卫星这个载体,不但能够实现星地的量子通信,而且能够实现全球任意点对点的量子通信。

  为应对自由空间量子通信领域内激烈的国际竞争,中国科学院于2008年启动了知识创新工程重大项目——空间尺度量子实验关键技术研究与验证试验。在此后的8年时间里,中国科技大学和中科院上海技术物理研究所等科研机构的科研团队强强联合,为实现星地量子通信进行了艰难的科技攻关,并取得了多项重要进展。如:成功研制了用于星载的量子通信样机,提出了完整的星地量子通信系统方案,攻克了星地量子通信的核心关键技术,并在美丽的青海湖畔顺利完成了世界首次浮空平台量子密钥分发试验、百公里双向量子纠缠分发试验、百公里量子隐形传态试验等。在项目执行期间,研究团队共发表论文几十篇,其中多篇论文发布在《自然》周刊和子刊、《美国科学院院刊》、 《物理评论快报》等国际著名杂志上。更为重要的是该项目为我国在空间量子通信领域培养出了一支优秀而且年轻的队伍,为我国在该领域内的长远发展和保持国际领先地位奠定了坚实基础。

  眼下计划发射的量子科学实验卫星,能够实现从北京到新疆,乃至国际上其他站点之间的量子通信网络。这也是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批确定的科学实验卫星之一,该项目能够提供一个卫星与地面间远距离量子科学实验的平台,并在此平台上完成空间大尺度量子科学实验。

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  死亡塔罗牌《清史稿·曾国藩传》载:“国藩为人威重,美须髯,目三角有棱。”目三角有棱,这明显说老曾是三角眼。对比老曾留下来的照片,三角眼确实明显。无论从相面术还是民间说法来看,三角眼都很难和“一个好人”联系在一起,至少是不靠谱的。相书有云:“目有三角,其人必恶,三角有光,贼性难防。”这里的“恶”不是恶人,意为恶死,即“不得善终”;“贼性”也非指偷盗,而是目光凶恶。以老曾此等面相,如果遇到一个同样“以貌取人”的面试领导,相信被刷掉是分分钟的事。

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