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一年过去,中国量子卫星实验任务圆满完成!

2017-8-10 20:02:43来源:威锋网作者:TangoDown责编:骑士 评论:

喜讯传来

就在北京时间的今天凌晨,顶尖的学术期刊《自然》刊载了中国团队的两项研究成果——从卫星到地面的量子密钥分发,以及从地面到卫星的量子隐形传态。事实上在两个月前,同样是顶级学术期刊的《科学》也登载了中国量子纠缠分发的论文。那么至此,我国的量子卫星“墨子号”既定的三大科学实验任务就已经全部完成了。

2016年8月16日,也就是将近一年前。我国的长征二号丁运载火箭将“墨子号”送上太空,引发了人们的广泛关注。之所以会有这样的轰动效果,是因为“墨子号”是所谓的量子科学实验卫星。这样的卫星,无论是在国内还是全世界都还是第一次。

如今一年过去,“墨子号”和它的研究团队一直都在默默的努力,到了现在终于有了成果,这当然令人感到振奋,意味着我国在这个领域上已经成为了确实的领跑者。

即使是一年后的今天再来看“墨子号”和它所代表的量子通信技术,我们都仍然会觉得它都是玄得不得了。然而正因为是这样,它才会显得如此的让人着迷。那么今天就让我们重新来了解一下,这个无论是过去还是现在都能够让人振奋和好奇的量子卫星。

追根溯源

量子纠缠可以说是量子力学中最诡异和荒谬的现象之一了,甚至于这种现象已被数学所证明,或许是太过反直观,天才的爱因斯坦仍旧不相信他口中这“鬼魅般的远距作用”是存在的,宁愿认为是数学出了错。毕竟,古典物理学认为,一个物体只能被它周围的环境直接影响。至死,爱因斯坦都认为量子力学是个不完备的理论。

为什么会这么说呢?因为所谓的量子纠缠,指的是当两个或以上的粒子进入互相纠缠的状态后,即使它们物理上不再有任何的联系,甚至相隔天涯海角,其中一个粒子的状态变化也会引起其他粒子的状态变化。

在我们的固有思维中,一切万物如果要发生些什么变化,那必须得有一个物理上的直接作用才行。量子纠缠现象实在是有些过于“反常识”了,人们拒绝接受这样一种理论也是人之常情。

不过好在量子纠缠现象是已经得到证实了的,像主导这次“墨子号”研究计划的潘建伟团队就在2005年时完成了13公里距离的量子纠缠实验。去年发射“墨子号”,也是在寻求将卫星作为一个中继点,在更长的距离上实现基于这个理论的量子通信。

量子纠缠实验之后的更进一步,就是量子隐形传态了。基于量子纠缠理论,科学家能够将A粒子的未知量子态传输给相隔很远的B粒子,让后者变成前者的状态。当然了,这不是什么远距离传送,也不是复制。A粒子在经过观测后必然导致状态改变,而B粒子得到的也是A粒子最初的状态。所以它们两者中始终只有一个能够实现目标状态。因为它事实上“传送”的并非是物质,而是信息,所以就构成了量子通信的基础之一。

在实验中,科研团队在西藏阿里地区设立了地面站,准备一对纠缠光子对,并将其中一个光子发射给“墨子号”卫星。接着他们对地面上留下的光子和另一个光子通过贝尔态测量,让它们坍塌到四种贝尔态的一种。根据这个信息进行一个正变换,卫星上的光子就可以得到一个复制的量子态了。

需要注意的是,这个信息的传递是不会超过光速的,而且除了量子信道外,两地还需要准备一个传统的如电话、网络这样的信道,交换贝尔态的测量结果。

说完了隐形传态和量子通信的联系,我们就可以说说最后的也是就目前来说最具实用意义的量子密钥分发了。如果说世界上还能有无法被攻破的加密,那就是它了。传统的加密再牢固也是基于运算的复杂性,当计算机的性能逐渐提升,被破解的危险是会逐渐增加的。量子通信则不一样,它可以说是物理上的“绝对安全”。

为什么会这么说呢?因为如果采用光子来进行通信,它是不可能被分割的,也就是说没有“半个光子”这种说法。光子也不可被精确复制,这也就导致了窃听者不可能从光子通讯中提取出信息,而且这种行为也必然会被察觉。

科学团队之所以进行星地间的实验,是因为光子在地面传输的过程中衰减严重,但通过大气传输的话理论衰减率却低得多。这一次的实验结果也表明,在1200公里的距离上,卫星和地面的量子密钥传输效率比地面光纤渠道要高达一万亿亿倍。卫星平均每秒能发送4000万个信号光子,一次可生成300千比特的密钥。

可以想见,一旦通过卫星实现的通信加密成型,其安全性将会得到一个质的飞跃。

任重道远

我们注意“墨子号”是实验卫星,意味着团队这次圆满完成了既定的三大实验,但也并不是说这样的技术马上就能够投入实用了。任何的技术在开始实用化前都要经过漫长的验证和测试,何况是那么尖端的存在。

但无论如何,这些实验的完成都标志着我国在量子通信方向上的重大突破,得以走在这个领域的研究前沿。由此产生的聚合效应,能够吸引更多的资源和更多的合作,从而取得更快的进步。

尽管说着简单,但任谁都知道研究团队的不易。这一年中他们长期坚守着高海拔地区的地面站,而且还要完成将单个光子将地面和卫星连通的这种百里射击穿针眼一般的任务。拥有这样的拼劲,未来的成果值得期待。

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