中国首颗量子卫星升空 奥媒:开发量子网络的关键一步

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2016年8月16日1: 40，中国在酒泉卫星发射中心成功发射了世界上第一颗量子科学实验卫星(以下简称“量子卫星”)，搭载了长征二号丁运载火箭。新华社记者金

核心提示:根据实验物理学家、奥地利科学院院长切林格的说法，通过量子物理现象将量子密钥从卫星传输到地球地面接收站，可以建立一个数据传输模型，完全防止迄今无法达到的距离的窃听。

信息网8月16日报道，中国于16日在戈壁沙漠的酒泉卫星发射中心发射了第一颗量子通信卫星。据奥地利科学院称，由奥地利科学院院长安东·切林格领导的物理学家团队参与了该项目。

据奥地利《标准报》网站8月15日报道，中国*电视台5月底在一个卫星节目中宣布，中国准备成为第一个从太空发送加密信息以防止窃听的国家。量子卫星原定于7月23日发射，但后来推迟到8月中旬。

据实验物理学家、奥地利科学院院长切林格称，通过量子物理现象将量子密钥从卫星传输到地球地面接收站，可以建立一种数据传输模型，完全防止迄今无法到达的距离上的窃听。同时，这是“未来量子网络发展的关键一步”

计划中的量子卫星系统

据报道，量子通信卫星项目的首席科学家潘建伟从维也纳大学的切林格那里获得了博士学位。他说这种方法是“革命性的”“量子密码信息非常安全，即使是性能最好的电脑也无法破解，”潘剑伟在央视说。为了通过这项技术打击网络犯罪，“量子科学实验卫星”将成为从北京延伸到上海的2000公里量子通信网络的一部分。此外，中国还计划建立量子通信卫星系统，到2030年实现全球量子卫星通信。

这个项目还应该阐明量子物理学中的一个基本问题。这里主要涉及的是爱因斯坦称之为“幽灵远摄效应”的量子纠缠现象是否仍然存在于更远的距离。

在量子纠缠中，两个纠缠粒子，例如两个光量子，在任何距离都是相互关联的。不管你对一个粒子做什么，它都会立刻影响另一个粒子的状态。如果两个骰子之间产生了量子纠缠，在测量之前，人们不应该知道最终会显示多少个点。然而，在测量之后，肯定会发现两个骰子向上的一面是随机的，是相同的。

如果物理学家实际测量两个纠缠光量子中的一个的偏振方向，另一个光量子将在测量的同时具有相同的偏振。这种现象在日常认知层面很难理解，但可以用于量子密钥传输。

两个加那利群岛上的纠缠量子

根据这份报告，在过去的几十年里，切林格和他的团队一直在不断地扩展量子纠缠的距离。在实验室测试之后，他们发射纠缠光子穿过宫城地窖走廊，穿过多瑙河下的污水管道，让它们穿过维也纳上空的大气层，最后穿过两个加那利群岛之间的大气层——迄今为止保持的最长距离为144公里。

然而，由于地球大气层对光量子的影响太大，长距离传输受到限制。所以现在实验已经转移到太空:卫星向地球发射光量子。光量子只需穿透几公里的大气层，损失就少了。为此，蔡玲和中国科学院在2010年签署了一项卫星项目合作协议。

中国人负责量子通信卫星本身以及所有地面设备和仪器的设计和建造，这花了他们五年的时间。这颗卫星重约600公斤，主要包括能够产生纠缠光子对和传输光子的仪器。这颗卫星的设计寿命是两年，它将在大约500公里的高度环绕地球运行。

奥地利地面站

报道称奥地利科学家为欧洲实验提供了一个接收站。它们是位于路易斯特格拉茨-贝尔的奥地利科学院空间研究所的“卫星激光测距站”，以及位于维也纳-奥尔特格兰德的奥地利科学院量子光学和量子信息研究所(IQOQI)的“海蒂·拉马尔量子通信望远镜”。

此外，还有欧洲航天局的光学地面站。维也纳的物理学家用它来进行仅限于地球的量子实验。“此外，我们正准备建立一个移动地面站——一个集装箱望远镜，可以很容易地运输到不同的地方，”IQOQI的托马斯·夏德尔说。据《中国空间科学杂志》报道，中国计划建造六个地面站。

夏德尔说，在奥地利参与的实验中，有两种不同的方法来生成量子密钥。“这个过程相对简单:我们只需要将一系列的光量子从卫星传送到地面并解码，”潘剑伟说。

“相对简单”是相对的——具体来说，它非常复杂:在没有重叠的方法下，单个光量子通过脉冲激光被发送到地面，并且这些光量子具有四种可能的偏振(垂直、水平、右手和左手)。它们由两个测量基准(垂直-水平或左-右-右)在地面上随机测量。卫星只告诉地面站，它已经准备好将每一量子的光发送到两个测量基地中的哪一个，但没有具体说明具体的偏振。如果接收库恰好与发送库一致，则特定的测试结果将用于密钥，如果不一致，则不采用该结果。

毁灭的叠加

根据该报告，第二种方法是在卫星上产生重叠的光学量子对。这两个光量子分别被发送到不同的地面站。他们的极化是完全随机的，垂直-水平或左右，但一开始并不清楚。物理学家称这种状态为“叠加态”。它在调查期间被销毁或被截获。

此时，测量将在两个地面站的两个测量基准中的任意一个上进行(即垂直-水平或左右)。之后，这两个站相互通信，它是在哪个测量基础上测量的，当然，测量结果不会被通知。如果测量基础一致，则结果用于关键点。

发送方和接收方知道，因为重叠的两个粒子无论如何都将处于相同的状态，所以垂直极化可以用0表示，水平极化可以用1表示，从而生成二进制密钥。如果测量基准不一致，结果将被丢弃。

每秒一对光子

根据报告，通常一个这样的光源每秒产生大约一百万对重叠的光量子对，但是每秒只有一对通过两个接收站。“这是一个科学论点，还不是一个比特率，”夏德尔说。如果一颗卫星在飞行时能向地面站传输5到10分钟的光量子，这是300到600对，这足以做出统计解释。

如果成功的话，物理学家已经提出证据证明“可怕的远程效应”在1000公里以上都有效。对于未来的量子互联网，这也将表明，中继站通过卫星也可以取代任何距离的安全密钥。

学者们预计卫星和设备的测试和安装在启动后需要几个月的时间。但是他们相信第一次传送到奥地利地面站将在今年完成。(编译/焦宇，赵廉)