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“墨子”升空,实现量子接力检验“幽灵般的超距作用” [复制链接]

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离线manbulang775
 

只看楼主 倒序阅读 使用道具 楼主  发表于: 2020-12-27
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量子科学实验卫星墨子示意图。蔡华为制图
    随着中国成功发射世界第一颗量子科学实验卫星墨子,人类将首次完成卫星与地面的量子通信,从而构建一个天地一体的量子保密通信与科学实验系统。
    什么是量子与量子通信
    量子是物理世界中最小的、不可分割的基本个体。可以说,整个世界都是由量子构成的。量子论被称为物理世界的百岁“幽灵”,甚至很多科学家都对其神秘现象感到不解,对于普通人来说自然更高级。但如果你尝试去接近它,你会发现这个“鬼”的魅力。
    量子的奇妙之处在于它的奇妙特性——量子叠加原理和量子纠缠。
    什么是量子叠加原理?也就是说,一个量子有几个可能态的叠加,只有在被观测或测量时,才会随机呈现出某一个态。所以物质的测量就是扰动,扰动会改变被测物质的状态。“这就像孙悟空的分离,”量子卫星首席科学家、中国科学院院士潘建伟解释说。“一个孙悟空同时出现在很多地方,孙悟空的每一个成员都像是他的叠加态。在日常生活中,我不可能同时出现在两个地方,但在量子世界中,作为微观对象,它同时出现在很多地方。”
    所谓量子纠缠,就是两个纠缠的量子像是有心灵感应的双胞胎。无论两人相距多远,哥哥的状态改变,弟弟的状态也随之改变。“如果这两个光量子纠缠在一起,即使是几千公里甚至更远,大家都认为遥远的点之间还是会有奇怪的相互作用。”潘建伟补充说,无论两个纠缠粒子相距多远,都可以“感知”对方的状态,爱因斯坦称之为“幽灵般的距离作用”。科学家可以利用这种效应将一个粒子在第一位置的未知量子态还原为另一个粒子在第二位置的未知量子态。
    随着科学家对这两个特性的不断认可,适合实际应用的新技术逐渐发展起来,量子通信就是其中之一。
    过去,基于微电子技术的计算机技术很容易被窃听,但是通过将量子物理与信息技术相结合,利用量子控制技术,可以革命性地对信息进行编码、存储、传输和操纵,从而突破了经典信息技术在保证信息安全、提高运算速度和提高测量精度方面的瓶颈,这就是量子通信。
    一般认为量子通信分为两种,一种是量子保密通信(量子密钥分发);另一种是量子隐形传态。
    量子保密通信就像一个人想把秘密传给另一个人,需要把秘密盒子和一把钥匙传给接收者。接收者只有用这把钥匙打开盒子才能得到秘密。没有这个钥匙,别人是打不开盒子的,一旦这个钥匙被别人碰过,发送方会立即发现原来的钥匙无效,并给一个新的钥匙,直到确保接收者自己拿到为止。
    那么,为什么钥匙被别人一碰就能马上知道?
    ,因为科学家利用了上面提到的量子有多个叠加态的原理,用量子作为密钥。这样,一旦有人试图拦截或测试量子密钥,就会改变量子状态,科学家就可以立即从变化中发现有人触碰了密钥。因此,通过利用量子不可着色和不可分割的性质,可以实现无条件安全的通信。
    量子隐形传态,另一种量子通信,也利用了量子的两大特性,通过隐形传态实现信息传输。也就是说,一个粒子的未知量子态,在不传输粒子本身的情况下,被精确地传输到很远的地方。
    为什么要发射量子卫星
    量子保密通信技术已经从实验室演示走向产业化。在城市,光纤构建的城域量子网络通信已经开始尝试实际应用,中国在城域光纤量子通信方面取得了国际领先地位。
    那为什么要把量子实验室从地面搬到太空?
    “由于光纤的固有损耗,在光纤中实现长距离量子通信面临着巨大的挑战。”潘建伟说。
    原来量子通信是用来传输信息的,它传输的是光的最小能量单位。但是最小的粒子再也不能被分割或复制。即使有最先进的理想单光子探测器,km光纤点对点量子通信每年也只能传输一位。“就像一个一万人的团队。最后可能只剩下几个人了,到达目的地需要很长时间。”这个问题受到光纤的限制,无法放大量子通信信号,导致信息远距离传输效率低下,让科学家束手无策。虽然量子中继意味着,也就是分成几个段来减少每个段的损耗,用“量子中继”来解决这个问题,但是要在实践中应用还需要时间。
    后来科学家意识到真空中不会有光的损失,要实现覆盖全球的广域量子保密通信,还需要卫星过境的帮助。
    年,潘建伟团队实现了km自由空间的量子纠缠和密钥分配实验,证明光子穿透大气层后能有效维持量子态,从而验证了星地量子通信的可行性。近年来,一系列后续实验为发射量子卫星奠定了技术基础。
    “这样发射卫星,排除干扰因素,就可以实现几千公里的量子通信。”潘建伟说,有了量子卫星,所谓量子力学的非局域性也可以在宏观距离上得到检验,这也叫“远距离鬼魅作用”。“看看已经在实验室里反复试验过的理论,是否可以在太空中实现。”
    会进行什么实验
    “量子卫星的科学目标是进行卫星和陆地的高速量子密钥分配实验,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的实际应用上取得重大突破;在空间尺度上进行量子纠缠分布和量子隐形传态实验,在空间尺度上进行量子力学完备性检验的实验研究。”潘建伟介绍。
    量子卫星将主要开展包括星地高速量子密钥分配实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分配实验和地球-卫星量子隐形传态实验在内的科学实验。其中,卫星与地面之间的高速量子密钥分发实验就像是从卫星向地面分发密钥,实现了以量子密钥为核心的卫星与地面之间的秘密通信实验。量子密钥生成后,双方可以秘密通信。这个过程已经被证明是绝对不可窃听的,原则上是不可破译的,所以整个通信过程是无条件安全的。在
    广域量子通信网络实验中,将通过卫星传输在两个光学地面站之间建立一个真实的广域量子通信网络。“比如一颗卫星飞过北京上空,通过卫星量子密钥分发过程,在北京和卫星之间建立一个密钥;同样,当卫星飞越乌鲁木齐上空时,通过星地量子密钥分发的过程,在乌鲁木齐和卫星之间建立一个密钥。这样就可以在北京和乌鲁木齐之间建立一个绝对安全的量子密钥。”比如潘建伟,就可以用这种方式连接两个相距甚远的地面光纤量子通信网络,真正实现量子通信网络的广域覆盖。
    这些量子科学实验非常复杂,难度极大,这就是“针尖对着芒”的挑战。这些实验可以产生编码甚至纠缠的光量子并传输到地面,与之相连的地面系统负责“接收光量子”,被称为“针尖对芒”。
    “在量子卫星飞行过程中,携带的两个激光器要分别对准两个地面站,从左到右同时发射量子密钥。这就要求在飞行过程中必须始终保证精确对准,跟踪必须达到相当高的精度,这是世界上从未有过的。”中国科学院空间科学与应用研究中心主任、空间科学试验专用科学卫星项目执行副指挥官吴吉说。
    量子科学实验卫星项目执行副总设计师、卫星总指挥王建宇表示,如果把光量子看成一块钱的硬币,那么星地实验就相当于把几亿枚硬币从一架在一万米高空飞行的飞机上连续发射到地面上一个不断旋转的存钱罐上,这不仅要求这枚硬币打在这个存钱罐上,还要求硬币能准确地注入到存钱罐细长的硬币槽中,硬币要不断地进入存钱罐。
    量子卫星作为我国第三颗科学实验卫星,将使我国在世界上首次实现星地量子通信,真正体现了量子通信能够向更广范围发展,在国际竞争中抢占先机的可能性。
    还将使中国在世界上首次实现大空间尺度的量子纠缠分布和量子隐形传态,并率先开展一系列空间尺度的量子力学基础检验实验,将大大提高我国量子物理的整体水平。
    未来会有什么应用
    据专家介绍,量子卫星发射后,天地一体量子科学实验系统将正式投入运行,“京沪干线”大型光纤量子通信骨干网工程有望在今年下半年交付使用。
    “量子通信应用大规模推广后,人们信息传输的私密性和安全性将大大提高。”潘建伟表示,“量子互联网”建立后,人们不再担心任何信息泄露,从而避免了恶意攻击和欺诈。
    量子安全通信可以从三个方面保证信息安全。首先,发送方和接收方之间的信息交换是安全的,不会被窃听或窃取。第二,“主人和仆人”的身份可以自动确认,只有主人可以指挥“仆人”,其他人不能指挥“仆人”。再次,一旦发送方和接收方之间的通行密码被恶意篡改,用户会立即知道,然后再次发送和接收指令。
    “信息安全从根本上需要解决,即传输内容不被他人知晓,保证接收者与发送者对话,信息不被篡改。”潘建伟说,光发射一颗卫星是不够的。只有形成一个星座,才能构建网络,需要在地面配置相应的基础设施,保证网络接入千家万户。
    “比如未来可以在手机中植入量子加密芯片来接收和存储密钥。”潘建伟描述了一个未来的场景,人们每天只需要将手机与家里的量子密钥分配器连接,就可以实现安全通信。“这一步,需要改造网络基础设施,制定通信标准。预计2000年到2000年实现。”
    得益于这种绝对的安全性,量子通信不仅可以用于人们的日常通信,还可以用于水、电、气等能源供应和民生网络基础设施的通信保障,以及国防、金融、商业等领域。,这必然会给工业界和科技界带来巨大的变化。这篇文章来自报纸。欲了解更多原始信息,请下载“论文”
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