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中国发射的量子卫星“墨子号”究竟是干什么用的?

分类:新闻摘要 作者:投桃报李 评论:0 点击: 373 次 日期:2016-08-17

  PingWest / 光谱

  北京时间8月16日下午1时40分,中国科学院国度空间科学中央研制的“墨子号”卫星,在中国的酒泉卫星发射中央成功发射升空并进入预定轨道。“墨子号”是一颗量子卫星,也是世界上第一颗量子卫星。

  我们听说过气象卫星、天文卫星、通讯卫星、导航卫星,军事用途卫星甚至搭载武器的“杀手”卫星——恐怕大多数人都没听说过“量子卫星”是个什么玩意儿……

  量子卫星是什么?能做什么?怎样做?

  墨子号应该能够算作通讯卫星当中的一种。只是,和传统的通讯卫星直接通报信息不同,墨子号的工作不是通报信息本身,而是分配“密钥”——解码加密信息的“钥匙”。

  这把密钥的加密性能,比历史上人类应用过的所有暗码本、阿兰·图灵造计算机想要破译的Enigma暗码、Touch-ID, “两步验证”甚至PGP系统还要高,能够说不在一个级别上。

  以往的暗码/密钥,要么是牢固的,要么非牢固但依照一定的逻辑变更,从而有迹可循,让人们能够应用计算机技巧或经由社会工程学来破译。量子暗码的安全型提到了前所未有的新高度,几乎无法破解。

  它利用了量子科学无比浪漫的基本原理:

  两颗纠缠的光子被拆散之后,无论相距多远总会心灵感应,一个状态发生变更,另一个会像镜子一般同步变更。

  光子组成了密钥,墨子号就是向地面发射光子的卫星——一颗量子密钥分发卫星。

墨子号随长征-2D运载火箭升空,卫星将进入500千米太阳同步轨道墨子号随长征-2D运载火箭升空,卫星将进入500千米太阳同步轨道

  举个例子,打仗,A 地长官向 B 地前线部队发送军令。墨子号能够将许多组每组两颗纠缠态光子拆开,发射给 A 和 B 两地。当 A 地“观察”这些光子,就像用手去触摸了它们一般,会让这些光子发生状态变更。同时,发射到 B 地的光子也会产生一模一般变更。把这些光子的状态,依照牢固顺序记录下来,就变成了一组密钥。A 地依照这个密钥加密发送的信息,B 地手里已经拿到了解码的密钥,能够顺利解密信息。

  怎样保证信息不被第三方破译呢?需要用到量子科学的两条基本特性:“量子态不可克隆”原理,和“海格堡测不准”原理。

  不可克隆:世界上就算有长相一模一般的人,也绝对没有第三颗一模一般的光子。只有 A 和 B 知晓目标光子的状态,世界上也没有能够完善克隆目标光子状态的机器。不完善克隆是能够的——然而并没有什么用,因为复原出来的密钥早已千差万别。

  测不准:A 摸了光子,改变了光子的状态并记录下来。谁要是再摸,有很大可能状态又变了。理论上,假如第三方想要截取密钥,必须先截获光子,再去观察它,结果光子就变更了。结果 B 要么没收到光子,要么收到光子摸完去跟 A 校验,发现怎样不一般啊,就明白了,我们被人监听了。这其实没关系,两边一对发现密钥失守,这条军令大不了我们不发了,请墨子号给我们再发一个新密钥吧,确认没问题再通报信息。

  就算有人能一直截获光子,充其量也是掌握了保险箱的钥匙而已——箱子里能够什么东西都没有嘛。

  上面是对太空量子加密通讯的一个非常粗浅的解释,在专业人士看来不一定完全准确,但应该足够让你明白墨子号是干什么,怎样干的。

  但这一切仍是个理论可行,还未在真实世界里验证过的尖端设想。

  墨子号的意义

  陆地上的量子通讯,倒是已经得到了验证。

  包括中国和美国在内的一些国度,早就建立了陆基的量子通讯线路,也就是发射、传输和接收全都在陆地上,经由光纤传输。在中国,“京沪保密线”(北京-济南-合肥-上海量子通讯干线)已经落成,应用了中国量子科学泰斗人物,中科大潘建伟教授研发的中继器,能够顺利将光子传送数百公里的距离。

潘建伟教授潘建伟教授

  然而,光纤并非一种良好的光子流传介质。实验室里最好的光纤能承载带宽高达数十 Tbps 的光信号,也能让你在中国的家里用 4k 清晰度观看几秒前里约奥运赛场上的画面,却无法在量子通讯的范畴里完好无损地流传一个光子。效果已经买过了量子加密最低的门槛,但还不够好——你能够理解为,就算导电性能最好的导体也会自带电阻。

  事实上,光纤不完善,地面空气也不完善。这让不完善不成活的量子科学家们很是苦恼:视野必须转向太空!

  奥地利量子科学家,维也纳大学教授安东·蔡林格(Anton Zeilinger),在量子科学领域比潘建伟教授资历更高,也是潘的导师。他早在 2001 年跟欧洲航天局(ESA)提出要搞量子卫星,遗憾的是经费一直批下不来。

  后来中国方面提出并确定了量子卫星计划,蔡林格博士现在同潘建伟教授一起在“墨子号”项目组工作。

  最近 ESA 转过神来,决定把自己不输给中国的技巧利用起来,也搞一颗量子卫星发到太空里。知乎用户“宋祁朋”介绍,在后面提到的量子通讯具体实现技巧上,中欧(主要是法国)之间是两种不同技巧并行发展。很难说谁更厉害,但合作起来肯定是棒棒的。

  墨子号是科学家的第一次机会,能够去验证后面说的那一大段复杂而又酷炫的技巧,究竟只是说说,还是真的能用。更别提卫星发上去了,机器能不能正常运转仍有待“观察”——当然,科学家担任最坏的打算,我们担任最好的期待。

  假如太空量子通讯真的实现了,我们能用它做些什么?

  在最近的未来,假如量子加密通讯能够为我们所用,能够用它来更安全地发送信息。只有信息的两端晓得信息的内容,服务器端无法获知也无法保存内容,Telegram、PGP 之类的也许能够下岗了。

  进一万步,假如能直接将光子作为信息本身的通报工具,信息也就没有“通报”一说了,而是是跨越时、空,直接呈现出来,真正的 real time~(还记得《三体》里的“智子”么?)

  量子通讯就是这样的酷炫,但其根本原理仍超过人类认知能力和理解范围。两个纠缠的光子凭什么总能保持相同的状态?一个变了另一个又是怎样晓得的?假如人类能够在实现量子加密、量子信息通讯的同时或之后,得到这些问题的答案,距离宇宙终极原理就又近了一步。

  不到那时,谁又晓得它对人类来说,真正意味着什么呢?

from:http://tech.sina.com.cn/d/i/2016-08-16/doc-ifxuxnak0395940.shtml

致儒先生




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