◇ 北京 何 龍 程 帥 孟衛(wèi)東(特級(jí)教師)

不泄天機(jī)
——從量子衛(wèi)星到“天宮二號(hào)”上的量子通信

◇ 北京 何 龍 程 帥 孟衛(wèi)東(特級(jí)教師)

“月兔號(hào)”月球車、“天宮一號(hào)”、“量子衛(wèi)星”……近些年咱們中國(guó)人的科研成果總是出現(xiàn)在各類科技平臺(tái)的頭版頭條上,也成為人們茶余飯后的談資,“空間科學(xué)”一時(shí)間炙手可熱.正當(dāng)人們感慨“量子衛(wèi)星”的神秘高冷時(shí),中國(guó)的“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室已于2016年9月15日22時(shí)04分09秒在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功,它是繼“天宮一號(hào)”后中國(guó)自主研發(fā)的第2個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室,也是中國(guó)第1個(gè)真正意義上的空間實(shí)驗(yàn)室.

空間科學(xué)的英文全稱是SPACE SCIENCE,又稱太空科學(xué),泛指利用航空航天設(shè)備探究地表之上、廣至星際宇宙空間現(xiàn)象的自然科學(xué),它涵蓋物理、化學(xué)、生命科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域,而且研究的課題大都涉及多學(xué)科間的融合.于是顧名思義,空間實(shí)驗(yàn)室即為空間科學(xué)研究服務(wù)的實(shí)驗(yàn)室,只是受到研究環(huán)境的限制,空間實(shí)驗(yàn)室需要利用航天器將其帶入太空,進(jìn)而完成一系列微重力環(huán)境下的科學(xué)實(shí)驗(yàn),所以它又被稱為“太空實(shí)驗(yàn)室”.可見空間實(shí)驗(yàn)室的定位是要高于空間站的,我國(guó)剛剛發(fā)射的天宮二號(hào)就是一個(gè)集多項(xiàng)高精尖實(shí)驗(yàn)設(shè)施于一體的綜合型空間實(shí)驗(yàn)室.那么量子衛(wèi)星、天宮二號(hào)與量子通信究竟有怎樣的關(guān)聯(lián)呢?

圖1 “天宮二號(hào)”結(jié)構(gòu)圖

從古至今,人與人的交流總要以符號(hào)化或圖形化的語言、文字作為載體,但作為社會(huì)化群體生活的人類總會(huì)在某種場(chǎng)合需要對(duì)交流的內(nèi)容進(jìn)行加密,防止旁人截獲.于是就有了大家在諜戰(zhàn)影視作品中經(jīng)?？吹降碾妶?bào)加密與解密的攻防戰(zhàn).

自人類使用語言以來,通過密鑰給信息加密的技術(shù)就伴隨著人類對(duì)通信保密程度的需求而不斷發(fā)展.密鑰的作用是用來對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密,防止他人獲取信息內(nèi)容.信息時(shí)代的今天,互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)幾乎覆蓋全球,人們信息傳遞的總量和頻率達(dá)到了前所未有的程度,涉及個(gè)人、集體隱私泄露的事件隨處可見.《紐約時(shí)報(bào)》就曾報(bào)道美國(guó)國(guó)家安全局監(jiān)聽谷歌、雅虎用戶的通信,并且這種監(jiān)聽措施不需要任何形式的物理破壞,只需完成對(duì)其信息傳遞的光纜、電纜信號(hào)的掃描即可.通信保密、信息加密已是全球范圍通信領(lǐng)域的重大課題.

其實(shí)自從計(jì)算機(jī)發(fā)明之后,現(xiàn)代密碼技術(shù)的算法高度復(fù)雜化.以使用較為廣泛的DES算法為例,由于密鑰的選取完全隨機(jī),就是說一個(gè)長(zhǎng)為128位的密鑰擁有2128種組合,用目前世界最快的計(jì)算機(jī)之一中國(guó)“天河2號(hào)”的全部運(yùn)算性能來破解這一密鑰,至少要花1萬億年!那么量子通信的意義又在哪里呢?這就需要涉及現(xiàn)今密碼通信的流程了:通信雙方需要使用相同的密鑰進(jìn)行加密和解密,但在初次確定密鑰或需要改變密鑰時(shí),通信雙方必須直接以某種形式的通信交換,那么在密鑰分配過程中就存在極大的危機(jī).從另外一個(gè)層面上講,隨著時(shí)間的推移以及科技的累積,也許未來計(jì)算機(jī)破解DES算法密鑰只是一瞬間的事兒.

傳統(tǒng)意義和形式上的密碼系統(tǒng)無論如何復(fù)雜,終究是有被破解的可能性,而量子通信密鑰則不然,它從根本上規(guī)避了密鑰被竊取或破解的可能性.這一切依然要?dú)w功于那個(gè)耳熟能詳?shù)摹昂Ｉy(cè)不準(zhǔn)原理”.簡(jiǎn)單來說在量子力學(xué)的微觀機(jī)制下粒子的位置與動(dòng)量不可能同時(shí)被測(cè)定,其位置的不確定度ΔQ與動(dòng)量的不確定度ΔP遵循如下不等式:ΔP·ΔQ≥h,式中h是普朗克常量.也就是說任何屬性的觀測(cè)總伴隨對(duì)被觀測(cè)對(duì)象的干擾,一個(gè)量測(cè)量越準(zhǔn)確干擾就越強(qiáng)烈,導(dǎo)致另一個(gè)物理量的不確定度增大.由此也衍生出了量子通信的一個(gè)基礎(chǔ)理論“單量子不可克隆定理”:在量子力學(xué)范疇中,一個(gè)量子態(tài)是不可能被再次克隆的,因?yàn)榭寺〉那疤崾菍?duì)量子態(tài)信息的獲取,即測(cè)量,而測(cè)量本身就會(huì)對(duì)該量子態(tài)造成不可逆的影響.這樣對(duì)量子密鑰配送過程中任何形式的窺探都成為泡影,無法窺其原貌.

真正意義上將量子通信推向?qū)嶋H應(yīng)用的事件不得不提到著名的“量子密鑰分配BB84協(xié)議”,該協(xié)議于1984年被正式提出,并因其量子特性從根本上保證了密鑰的安全性.并且2009年的時(shí)候科學(xué)家已經(jīng)從理論上證明了,只要“因果律”成立,量子密鑰分發(fā)的安全性就是嚴(yán)格得到保證的.所謂“因果律”就是不存在超光速運(yùn)動(dòng),因?yàn)槌馑亠w行時(shí)光就可以倒流,就可以回到從前.到目前為止,因果性是物理世界中彌足珍貴的定則之一.在此后的許多年間,眾多科學(xué)家均投身于量子通信領(lǐng)域,并在一定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了這一理想.近些年我國(guó)的量子通信研究在以潘建偉院士為首的研究團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)下取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,從“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的發(fā)射到“天宮二號(hào)”的順利升天都有他們的貢獻(xiàn).

圖2 天地量子通信

在中國(guó),世界第一條量子保密通信主干線路“京滬干線”即將建成,上海還將建設(shè)量子保密通信上?？偪丶按髷?shù)據(jù)服務(wù)中心、陸家嘴金融量子保密通信應(yīng)用示范網(wǎng)等地面設(shè)施,這是國(guó)家地面光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)布局中的重要一環(huán),將大幅提高中國(guó)在軍事國(guó)防、金融系統(tǒng)的信息安全.為了能夠在未來量子通信領(lǐng)域搶得先機(jī),實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離量子保密通信,2016年8月16日01時(shí)40分,由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)主導(dǎo)研制的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”順利升空,緊接著載荷“量子密鑰分配專項(xiàng)”的“天宮二號(hào)”也飛上太空.

圖3 中國(guó)發(fā)射世界首顆量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”

“天宮二號(hào)”上的“量子密鑰分配試驗(yàn)空間終端”可以向地面發(fā)射一個(gè)個(gè)某種偏振態(tài)的單光子,并且單光子在穿透大氣層后,其狀態(tài)不會(huì)受到干擾.通過高精度自動(dòng)跟瞄(ATP)系統(tǒng)與量子密鑰分配地面終端配合,就可以在地面站與目標(biāo)飛行器之間建立起量子信道,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行空地量子密鑰分配試驗(yàn).這樣用光纖來做地面城域網(wǎng)絡(luò),用空間衛(wèi)星來做廣域網(wǎng)絡(luò),就可以構(gòu)建天地一體化的廣域量子通信系統(tǒng).

作為空間實(shí)驗(yàn)室,“天宮二號(hào)”上還有許多其他領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)裝置,無一不是該領(lǐng)域的頂尖之作,如:綜合材料實(shí)驗(yàn)裝置,可以用200W的功耗實(shí)現(xiàn)950℃的爐溫完成多種材料科學(xué)實(shí)驗(yàn);“迷你溫室”可以完成植物的全生命周期長(zhǎng)約6個(gè)月全程直播;空間環(huán)境分系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)地球輻射環(huán)境和軌道大氣環(huán)境;等.

對(duì)宇宙空間的探索,是人類永恒的追求.在這條競(jìng)爭(zhēng)激烈的科研之路上,中國(guó)在不停追趕,并不斷創(chuàng)造出自己驕傲、造福世界的成果,今日的夢(mèng)想就在這一步步的堅(jiān)實(shí)步履下成為現(xiàn)實(shí).

(作者單位:清華大學(xué)附屬中學(xué))