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“墨子号”卫星在未来真的可以实现安全通信吗

2019-05-23来源:善知识与道
通信“绝对安全”!“墨子号”的成功发射意味着未来我们的通信将更加的安全,我们知道一般的通信,中途会被窃听而不被双方察觉的泄漏了信息。而量子通信中,如果有窃听者,那么双方就会立马知晓。“墨子号”卫星在空间中的传输信号也大大降低了在地面的损失。


我们知道一般的通信,如果中途有窃听者的话,窃听者一般会复制信息的方式窃听而不被双方察觉。即使是密文,也会被软件所破解。所以这种通信相对而言并不是很安全,因此现在就有了量子通信。量子通信也可以说是量子加密通信,它有两条传输通道,一条传递纠缠粒子对(通常是纠缠光子),一条利用电磁波传输经典的信息。因为纠缠粒子的量子状态中途窃听者不可以复制任何相同信息传达给对方,因此就会立马得知有窃听者。

之所以要发射人造卫星“墨子号”到距离地面数百公里处的地方,是因为地面中继站会损失许多信号。相比地面中继站而言,在空间中传输到地面的损失将比地面之间的损失小得多。而且可以在空间上有更大范围的传输领域,为我国实现“天地一体化”量子通信的初步构建。


“墨子号”卫星在未来真的可以实现安全通信吗


图:文汇报

简单了解下量子纠缠

在理解这个之前,你需要了解下一个看似简单而疑惑的小问题,那就是1+1为什么非得等于2?因为它可以推导出1+2=3,所以不必为1+1=2而烦恼。

现在我们要说的是量子纠缠,首先我们来粗略从“量子”入手,“量子”可以比作是微观世界的粒子(如光子电子等),一个不可分割的基本个体。然后我们再来看看“纠缠”,汉语意思是相互缠绕或遭人烦扰不休,可以这样讲,很多粒子之间会纠缠不清,一直有某种关联。如电子,2个电子接近时会出现纠缠的状态,它们只有上旋或下旋,意思是1种电子为上旋,必然另种就为下旋。而且奇妙之处是,你把这2个电子分别放在它们之间相隔非常遥远的地方,当你对一个电子起作用时,另外一个电子必然会起作用。也就是一种为上旋,另一种必然为下旋。

在量子力学里,当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,所以也就无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,则称这现象为量子缠结或量子纠缠(quantum entanglement)。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象;然而在经典力学里,是找不到类似的现象的。目前物理学者仍旧不清楚量子纠缠的基础机制。


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照射激光束于偏硼酸钡晶体,会因第二型自发参量下转换机制,在两个圆锥面交集的两条直线之处,制备出很多偏振相互垂直的纠缠光子对。图:老陳

简单了解下量子信息

在物理学和计算机科学中,量子信息是在量子系统状态下保存的信息。 量子信息是量子信息理论研究的基本实体,可以使用称为量子信息处理的工程技术进行操纵。 很像古典信息那样可以用数字计算机处理,从一个地方传送到另一个地方,用算法操纵,并用计算机科学的数学进行分析,因此类似的概念也适用于量子信息。 虽然经典信息的基本单位是比特,但在量子信息中它的单位是量子比特。

在量子计算中,量子比特是量子信息的基本单位 - 经典二进制比特的量子版本,是用双态设备物理实现的。 量子比特是一种双态(或两能级)量子力学系统(双态系统),是显示量子力学奇异性的最简单的量子系统之一。 例子包括:电子的自旋,其中两个量子态可以被看作自旋向上和自旋向下; 或者单个光子的偏振,其中两个量子态可以被认为是垂直偏振和水平偏振。 在经典系统中,一个位必须处于一种状态或另一种状态。 然而,量子力学允许量子比特同时处于两个量子态/能级的相干叠加中,这是量子力学和量子计算的基础。

概述量子科学实验卫星

量子科学实验卫星是量子物理领域的国际研究项目。

天宫-2号是中国第二个太空实验室模块,于2016年9月15日发射。天宫-2号共有14个任务和实验包,包括空间-地球量子密钥分配和激光通信实验,以促进空对地一体化量子通信。

量子科学实验卫星是以中国古代哲学家和科学家的名字Micius或Mozi(墨子)命令的一颗人造卫星,由中国科学院和中国的地面站操作。维也纳大学和奥地利科学院正在运行卫星作为欧洲的接收站。

量子科学实验卫星是一个概念验证任务,旨在促进远距离量子光学实验,以开发量子加密和量子隐形传态技术。量子加密利用纠缠原理来促进通信,从而完全安全地防止第三方窃听,更不用说解密了。通过产生的纠缠光子对,量子科学实验卫星将允许相隔数千公里的地面站建立安全的量子信道。量子科学实验卫星本身具有有限的通信能力:它需要一定范围的视线,并且只能在不在阳光下时才能操作。

量子科学实验卫星的目标很成功。 进一步的Micius卫星将随之而来,到2020年允许欧洲 - 亚洲量子加密网络,到2030年将建立全球网络。

量子科学实验卫星的任务成本约为1亿美元。

初步实验证实了新疆乌鲁木齐天文台和北京兴隆天文台之间的量子密钥分布(QKD),其大圆距离约为2500公里(1600英里)。此外,量子科学实验卫星在1200千米(750英里)的距离上测试了贝尔的不等式(贝尔定理)——比迄今为止的任何实验都要远——并在西藏阿里的石泉河天文台和卫星之间传送了光子态。这需要非常精确的轨道机动和卫星跟踪,这样基站就可以与飞行器保持一定的视线。

一旦在中国的实验结束,量子科学实验卫星在中国与奥地利维也纳的量子光学和量子信息研究所之间就会建立一个国际QKD通道 - 地面距离为7500公里(4,700英里),从而实现了2016年第一次洲际安全量子视频通话的可能。


“墨子号”卫星在未来真的可以实现安全通信吗


地面站分布 “量子密钥分发实验”:兴隆与南山/兴隆与维也纳 “量子纠缠分发实验”:南山与德令哈/德令哈与丽江 “量子隐形传态实验”:阿里,图:WJ百科

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