中国首颗量子卫星升空 奥媒:开发量子网络的关键一步

杨亚衡@北外

中国首颗量子卫星升空 奥媒:开发量子网络的关键一步

参考消息网8月16日报道 中国16日在位于戈壁沙漠的酒泉卫星发射中心发射了首颗量子通信卫星。据奥地利科学院透露，奥地利科学院院长安东·蔡林格带领的一个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，中国中央电视台在5月底的一档有关卫星的节目中宣称，中国准备成为首个从太空输送防窃听的加密信息的国家。量子卫星原定的发射时间是7月23日，但之后被推迟到了8月中旬。

据实验物理学家、奥地利科学院院长蔡林格说，借助量子物理现象从卫星向地球上的地面接收站传输量子密钥，以此可建立起一种在迄今无法达到的距离上实现完全防窃听的数据传输模型。与此同时，这还是“开发未来量子网络的关键步骤”。

计划中的量子卫星系统

报道称，量子通信卫星项目首席科学家潘建伟曾在维也纳大学师从蔡林格获到博士学位。他说，这一方式是“革命性的”。“量子编码信息非常安全，即便是性能最好的计算机也无法破解，”潘建伟在中央电视台的节目中说。为通过这一技术对抗网络犯罪，“量子科学实验卫星”将成为从北京绵延至上海长达2000公里的量子通信网的一部分。此外，中国还计划建立一个量子通信卫星系统，到2030年实现全球量子卫星通信。

这一项目也应澄清量子物理学的一个基本问题。这里主要涉及的是，被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”的量子纠缠现象是否在更远距离上依旧存在。

在量子纠缠现象中，两个相互纠缠的粒子，比如两个光量子，在任意距离上相互关联。不论对其中一个粒子做什么，显然都会瞬时影响到另一个粒子的状态。如果令两枚骰子之间产生量子纠缠，在测量之前人们应该不知道它们最终显示的点数是多少。但测量后肯定会发现，两枚骰子朝上的一面是——随机——相同的。

如果物理学家实际测量出两个纠缠光量子中的一个的偏振方向，在测量的同时，另一个光量子也会出现相同的偏振。这一日常认知水平难以理解的现象可被用于量子密钥传输。

两座加那利岛屿上的纠缠量子

报道称，蔡林格和他的团队在过去几十年中不断延长量子纠缠的距离。继实验室试验后，他们发射纠缠光量子穿越宫城酒窖走廊，穿过多瑙河下的污水管道，让它们穿越维也纳上空的大气层，然后最终穿越两座加那利岛屿之间的大气层——这也是迄今保持的最远距离144公里。

然而，在更远距离上的传输受到限制，因为地球大气层对光量子的影响过于强烈。所以现在试验被转移到了太空：由卫星向地球发射光量子，光量子仅需穿透短短几公里的大气层，受到的损耗相应较小。出于这一原因，2010年蔡林格与中科院签署了相关卫星项目的合作协议。

量子通信卫星本身和所有地面装置仪器由中国人负责设计建造，他们为此耗费了5年时间。卫星重约600公斤，上面主要包括能够产生纠缠光量子对和传输光子的仪器。卫星的设计寿命为两年，将在约500公里高的绕地轨道上环行。

奥地利地面站

报道称，奥地利科学家为欧洲的实验提供了接收站。它们是格拉茨—卢斯特比厄尔的奥地利科学院太空所的“卫星激光测距站”和维也纳—阿尔瑟格伦德的奥地利科学院量子光学与量子信息研究所（IQOQI）的“海迪·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。维也纳的物理学家已经借助它进行了限于地球的量子实验。“此外我们正准备设置一个机动地面站——一个集装箱式的望远镜，可以轻易地运到不同地方”，IQOQI的托马斯·沙伊德尔说。据《中国空间科学学报》称，中国计划建设六个地面站。

奥地利参与的实验有两种不同的生成量子密钥的方法，沙依德尔说。“这个过程相对简单：我们只需要从卫星向地面发送一系列光量子然后将其解码”，潘建伟说。

“相对简单”是相对的——具体来看则十分复杂：在没有重叠的方法下，是用脉冲激光将单个光量子发送到地面，这些光量子有四个可能的偏振（垂直、水平、右旋、左旋）。它们在地面由两个测量基（垂直—水平或者左旋—右旋）随机测定。卫星只告诉地面站，它准备将每个光量子发送到两个测量基中的哪个，但不会说明具体的偏振。如果接收基碰巧与发送基一致，具体的测试结果就被用于密钥，如果不一致，结果就不采纳。

毁灭的叠加态

报道称，第二种方法是在卫星生成重叠的光量子对。两个光量子被各自发送给不同的地面站。它们的偏振完全随机，要么是垂直—水平，要么是左旋—右旋，但是开始是不清楚的。物理学家将该状态称为“叠加态”。它在测量时毁灭，或者是在遭到窃听时。

这时再在两个地面站的两个测量基中的随机一个进行测量（也就是要么垂直—水平要么左旋—右旋）。之后两个站点相互通信，它是在哪个测量基测量的，当然测量结果不会告知。如果测量基一致，结果就被用于密钥。

发送基与接收基知道，因为重叠的两个粒子无论如何都会状态相同，所以垂直偏振可以用0代表，水平偏振用1代表，这样就可以生成一个二元密钥。如果测量基不一致，结果就废弃。

每秒一对光量子

报道称，通常一个这样的来源每秒生产大约100万对重叠的光量子对，但每秒只有一对通过两个接收站。“这是个科学论证，还不是达到的比特率”，沙依德尔说。如果卫星在飞过时能向地面站传送五至十分钟的光量子，这就是300至600对，这样就足以作出统计上的说明了。

如果成功，物理学家就拿出了“可怕的远程作用”在1000公里以上也有效的证据。对未来的量子互联网来说，这也会表明，通过卫星这个中继站也可以在任意远的距离内替换安全密钥。

学者们预计，测试以及安装卫星和设备在启动后将需要几个月的时间。但是他们认为，今年就会完成向奥地利地面站的首次传输。（编译/焦宇、赵涟）