揭秘全世界首颗量子卫星

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量子卫星

姓名:于川皓 学号:16140210089

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  港媒称,中国将于8月发射全球首颗量子卫星,展示防黑客通信和量子传输等一系列先进技术。

转载自:

《人民日报》 记者 刘诗瑶

随着我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”,人类将首次完成卫星和地面之间的量子通信,从而构建一个天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

  据香港《南华早报》网站7月5日援引中央政府网站的消息称,中国科学院已完成对卫星的地面测试和相关检查。该卫星拟在7月上旬运至位于内蒙古的酒泉卫星发射中心,计划通过长征二号丁型运载火箭于8月中旬择机发射。

【嵌牛导读】:量子通讯主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等,这门学科已逐步从理论走向实验,并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理,量子通讯具有高效率和绝对安全等特点,并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。

8月16日1时40分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。随着此次发射任务的圆满成功,人类将首次完成卫星和地面之间的量子通信,标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。

什么是量子和量子通信

  报道称,这项发射计划得到世界各国科学家和政府关注,因为它可能为解决当前一些重大问题提供答案。近年来随着量子技术的快速发展,人们广泛认为量子计算机将很快面世,但这种计算机十分强大,可以破解当前所有加密技术。

【嵌牛鼻子】:通信,量子

量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一,其主要科学目标是借助卫星平台,进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破;在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

量子是物理世界里最小的、不可分割的基本个体。可以说,整个世界都是由量子组成的。而量子理论,被称为物理世界的百岁“幽灵”,连不少科学家都为其产生的神秘现象所迷惑,对于普通人来说自然更加高深。但若试着走近它,你会发现这个“幽灵”的魅力。

  报道称,在未来的科技时代,确保通信安全的唯一方法就是使用量子网络。这种网络通过利用量子物理学的基本法则,即单个的光量子在传输信息的时候具有测量不准、不可克隆等性质,从而让电话窃听等行为无用武之地。

【嵌牛提问】:量子通信将会给我们带来什么?

我国自主研发的量子卫星突破了一系列高新技术,包括同时瞄准两个地面站的高精度星地光路对准、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等工程级关键技术等,卫星设计寿命为两年。量子卫星的成功发射和在轨运行,将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位,实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升,有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破,对于推动我国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。

量子的奇妙之处首先在于它的奇妙特性——量子叠加原理和量子纠缠。

  科研人员已经建立了长度达1000公里的地面光纤量子通信网络,但这颗量子卫星的目标更加高远。它将连接中国和欧洲之间的量子通信网,以证明全球规模的量子互联网设想是可行的。

【嵌牛正文】:量子通讯系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输,后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送。从物理学角度,可以这样来想象隐形传送的过程:先提取原物的所有信息,然后将这些信息传送到接收地点,接收者依据这些信息,选取与构成原物完全相同的基本单元,制造出原物完美的复制品。但是,量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息,这个复制品不可能是完美的。因此长期以来,隐形传送不过是一种幻想而已。

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什么是量子叠加原理?就是说,量子有多个可能状态的叠加态,只有在被观测或测量时,才会随机地呈现出某种确定的状态,因此,对物质的测量意味着扰动,会改变被测量物质的状态。“这就好比孙悟空的分身术”,量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟解释道,“一个孙悟空同时出现在多个地方,孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。在日常生活中,我不可能同时出现在两个地方,但在量子世界里,作为一个微观的客体,它同时出现在许多地方。”

  据报道,如果这项技术有效,将很快应用于政府和军方网络。北京可以通过量子卫星与一艘远在太平洋某处的核潜艇安全联系,而不用担心通话信息被第三方破译。

1993年,6位来自不同国家的科学家,提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传态的方案:将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方,把另一个子制备到该量子态上,而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是:将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分,它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的,量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息;接收者在获得这两种信息后,就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态,而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知,而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。

什么是量子和量子通信

而所谓的量子纠缠,则意味着两个纠缠在一起的量子就像有心电感应的双胞胎,不管两个人的距离有多远,当哥哥的状态发生变化时,弟弟的状态也跟着发生一样的变化。“如果这两个光量子呈纠缠态的话,哪怕是千公里量级或者更远的距离,大家认为,还是会出现遥远的点之间的诡异互动。”潘建伟补充道,两个处于纠缠状态的粒子无论相距多远,都能“感应”对方状态,爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。科学家就可以利用这种效应将甲地某一粒子的未知量子态,在乙地的另一粒子上还原出来。

  研究人员还希望了解量子纠缠态的奇异现象:在多粒子量子系统中,一对具有量子纠缠态的粒子,即使相隔极远,当其中一个状态改变时,另一个状态也会即刻发生相应改变。

在这个方案中,纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。量子力学是非定域的理论,这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实,因此,量子力学展现出许多反直观的效应。在量子力学中能够以这样的方式制备两个粒子态,在它们之间的关联不能被经典地解释,这样的态称为纠缠态,量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间的非定域非经典的关联。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义,而且可以用量子态作为信息载体,通过量子态的传送完成大容量信息的传输,实现原则上不可破译的量子保密通信。1997年,在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作,首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”,作为信息载体的光子本身并不被传输。为了进行远距离的量子态隐形传输,往往需要事先让相距遥远的两地共同拥有最大量子纠缠态。但是,由于存在各种不可避免的环境噪声,量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此,如何提纯高品质的量子纠缠态是量子通信研究中的重要课题。

量子是物理世界里最小的、不可分割的基本个体。可以说,整个世界都是由量子组成的。而量子理论,被称为物理世界的百岁“幽灵”,连不少科学家都为其产生的神秘现象所迷惑,对于普通人来说自然更加高深。但若试着走近它,你会发现这个“幽灵”的魅力。

随着这两种特性被科学家不断认识,适用于实际应用的新技术也被逐渐开拓出来,量子通信就是其中之一。

  报道称,科学家们在地面上已在相距100公里的距离成功进行了量子纠缠试验,而量子卫星将把这个试验带到外层空间。

国际上许多研究小组都在对这一课题进行研究,并提出了一系列量子纠缠态纯化的理论方案,但是没有一个是能用现有技术实现的。潘建伟等人发现了利用现有技术在实验上是可行的量子纠缠态纯化的理论方案,原则上解决了在远距离量子通信中的根本问题。这项研究成果受到国际科学界的高度评价,被称为“远距离量子通信研究的一个飞跃”。

量子的奇妙之处首先在于它的奇妙特性——量子叠加原理和量子纠缠。

以往用以微电子技术为基础的计算机技术传递信息极易遭遇窃听,但通过把量子物理与信息技术相结合,利用量子调控技术,能够用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵,从而在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典信息技术的瓶颈,这就是量子通信。

  量子纠缠技术将让信息以比光速还快的速度传输,而信息发送者和接受者之间无需任何物质媒介。这项技术还将使星际或星系间通信变得像在地球上打电话一样容易。

什么是量子叠加原理?就是说,量子有多个可能状态的叠加态,只有在被观测或测量时,才会随机地呈现出某种确定的状态,因此,对物质的测量意味着扰动,会改变被测量物质的状态。“这就好比孙悟空的分身术”,量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟解释道,“一个孙悟空同时出现在多个地方,孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。在日常生活中,我不可能同时出现在两个地方,但在量子世界里,作为一个微观的客体,它同时出现在许多地方。”

通常认为,量子通信分为两种,一种是量子保密通信;另外一种是量子隐形传态。

发展史

而所谓的量子纠缠,则意味着两个纠缠在一起的量子就像有心电感应的双胞胎,不管两个人的距离有多远,当哥哥的状态发生变化时,弟弟的状态也跟着发生一样的变化。“如果这两个光量子呈纠缠态的话,哪怕是千公里量级或者更远的距离,大家认为,还是会出现遥远的点之间的诡异互动。”潘建伟补充道,两个处于纠缠状态的粒子无论相距多远,都能“感应”对方状态,爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。科学家就可以利用这种效应将甲地某一粒子的未知量子态,在乙地的另一粒子上还原出来。

量子保密通信,就好比一个人想要传递秘密给另外一个人,需要把存放秘密的箱子和一把钥匙传给接收方。接收方只有用这把钥匙打开箱子,才能取到秘密。没有这把钥匙,别人无法打开箱子,而且一旦这把钥匙被别人动过,传送者会立刻发现,原有的钥匙作废,再给一把新的钥匙,直到确保接收方本人拿到。