高博

量子衛(wèi)星：開(kāi)啟人類保密通信新紀(jì)元

高博

一對(duì)纏繞的光子將被拆散，從太空發(fā)射到地面，開(kāi)啟人類保密通信的新歷史。8月中旬，中國(guó)將發(fā)射首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。

你粘好信封，滴蠟蓋上火印，但防不住有人拆開(kāi)、讀完再?gòu)?fù)原；你想用電磁波傳遞一個(gè)秘密，但“音量”再低，也防不住精細(xì)的竊聽(tīng)。最終，你設(shè)法將“音量”調(diào)低到如此程度：只發(fā)射一顆光子，任何間諜去測(cè)量都會(huì)破壞它，從而被發(fā)現(xiàn)。信息微弱到了極限——量子級(jí)別，再小心的讀取都會(huì)徹底改變它，而不可能只改變一點(diǎn)點(diǎn)。中國(guó)量子衛(wèi)星的保密原理就是如此。理論上絕對(duì)安全的密電一旦實(shí)現(xiàn)，銀行和軍隊(duì)都將獲益。

絕對(duì)保密的通信依靠量子糾纏，也就是愛(ài)因斯坦說(shuō)的“幽靈般的超距離作用”來(lái)工作——兩顆光子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，總是“心靈感應(yīng)”：一個(gè)變化，另一個(gè)就保持同步。于是一對(duì)糾纏的量子態(tài)的光子，可以被當(dāng)作鑰匙分發(fā)給北京與上海。上海讀取光子B，破壞了它“既黑又白”的量子模糊狀態(tài)，讓它顯出黑或白色；北京的光子A也將心靈感應(yīng)地破壞，呈現(xiàn)同樣顏色。如此發(fā)射和讀取一連串糾纏光子，北京和上海就能得到同樣的數(shù)列，比如“黑白白黑黑白黑白”，這就是密碼——間諜想要讀取一長(zhǎng)串光子再原樣發(fā)送，而不被發(fā)覺(jué)的可能性為零。

量子科學(xué)家操縱激光發(fā)生器，讓一個(gè)光子分為兩個(gè)糾纏的光子——潛在的信息寄托于它們的偏振態(tài)或其他屬性，再分發(fā)到盡量遠(yuǎn)的地方并測(cè)量。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉教授等科學(xué)家經(jīng)過(guò) 20年努力后，發(fā)明了能夠長(zhǎng)時(shí)間（毫秒級(jí)）存儲(chǔ)量子的中繼器。人們已經(jīng)能在地面上傳送糾纏光子跨越上百千米。奧地利曾用量子通信傳遞了銀行支票，瑞士用它傳送過(guò)大選得票信息。在中國(guó)，“北京—濟(jì)南—合肥—上?！绷孔油ㄐ鸥删€已經(jīng)建立。

但無(wú)論是近地面空氣還是光纖玻璃都容易阻擋和吸收光子。因此，跨越大氣層的衛(wèi)星量子通信方案很吸引人。即將發(fā)射的中國(guó)量子衛(wèi)星質(zhì)量約 600 kg，由長(zhǎng)征—2D火箭運(yùn)載，運(yùn)行于500 km太陽(yáng)同步軌道。衛(wèi)星攜帶的一塊晶體將制造激光和一對(duì)糾纏光子，并且將他們分發(fā)到兩個(gè)地面站。

為了讓單個(gè)光子傳送數(shù)百公里，穿越大氣還能鉆進(jìn)地面接收器，中國(guó)量子衛(wèi)星必須時(shí)刻矯正位置，保持精確朝向兩個(gè)地面目標(biāo)，這也是世界上未曾達(dá)到的精細(xì)度。傳輸錯(cuò)誤率也得相當(dāng)?shù)停拍鼙ＷC通信可行。接下來(lái)兩年，中國(guó)科學(xué)家將測(cè)試被分發(fā)到相距成千、甚至上萬(wàn)公里的一對(duì)糾纏的光子能否保持糾纏——理論預(yù)言是可以的，但誰(shuí)也沒(méi)做過(guò)。

飛機(jī)和地面之間的量子通信已經(jīng)實(shí)驗(yàn)成功。而近兩年，意大利、新加坡和英國(guó)的科學(xué)家也曾利用衛(wèi)星探索天地量子通信的可行性，已制造出互相關(guān)聯(lián)的成對(duì)光子——糾纏光子的前一步。而中國(guó)則是第一個(gè)發(fā)射量子通信衛(wèi)星試圖驗(yàn)證整個(gè)流程的國(guó)家。

如果這次量子衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)成功，中國(guó)量子通信網(wǎng)下一步將試圖連接中國(guó)和歐洲，并在 2030年擴(kuò)充成 20顆衛(wèi)星規(guī)模的全球網(wǎng)絡(luò)。但近年來(lái)也有科學(xué)家撰文指出量子通信系統(tǒng)的一些安全漏洞，盡管不是量子加密方式本身的問(wèn)題：比如中繼站在接收和發(fā)送之間存在信息截獲的可能，這是中國(guó)科學(xué)家要設(shè)法避免的。?

【作者單位：科技日?qǐng)?bào)】

（摘自《科技日?qǐng)?bào)》2016-08-15 第01版）

責(zé)任編輯：吳曉麗