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“墨子”号升空二三事

文章来源:京华时报、科技日报  |  发布时间:2016-08-17  |  【打印】 【关闭

  2016年8月16日凌晨1点40分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。我国在世界上首次实现了卫星和地面之间的量子通信。据了解,这颗量子卫星重600多公斤,命名为“墨子号”,以纪念这位生活在2000多年前的中国古代思想家。据了解,墨子是世界首位开展光学实验的人。

 

  量子卫星首席科学家潘建伟院士介绍,量子通信的安全性基于量子物理基本原理,确保了身份认证、传输加密以及数字签名等的无条件安全,可从根本上、永久性解决信息安全问题。

  从潘建伟院士提出量子卫星计划,到量子卫星遨游太空,经历了13年的时间。2001年,31岁的潘建伟建立了中国第一个光量子操纵实验室。两年后,他提出了量子卫星计划。这个计划在当时或许就是一个梦。因为在那时中国根本就没有发射过科学卫星。

 

  转机出现在2010年。当年的3月31日,国务院常务会议审议通过了中科院“创新2020”规划,决定组织实施战略性先导科技专项。2011年1月,中科院批准实施空间科学战略性科技先导专项,决定在“十二五”期间,研制暗物质粒子探测卫星、“实践十号”微重力科学卫星、量子科学实验卫星和硬X射线调制望远镜卫星,并在“十二五”末和“十三五”初相继发射。中科院希望通过发射这些具有先进科学目标的科学卫星,实现我国在基础科学前沿领域的突破和进展。2015年12月17日,暗物质粒子探测卫星“悟空”成功发射。今年4月6日,“实践十号”微重力科学卫星飞向太空。8月16日,量子科学实验卫星再次升空,使我国在这一新兴科技领域从跟跑逐渐向领跑转变。

 

  量子科学,对多数人来说都很陌生。但当它与信息技术相连,就与我们每个人息息相关。量子卫星首席科学家潘建伟院士、中科院物理所研究员吕力、北京大学物理系教授刘雄军,为大家解读量子世界。

量子究竟是什么?

  量子是构成物质的基本单元,是能量的最基本携带者,不可再分割。比如,光子是光能量的最小单元,不存在“半个光子”。而量子世界中有两个基本原理:

  ——量子叠加,就是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。著名的“薛定谔的猫”理论曾经形象地表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。

  ——量子纠缠,类似孙悟空和他的分身,二者无论距离多远都“心有灵犀”。当两个微观粒子处于纠缠态,不论分离多远,对其中一个粒子的量子态做任何改变,另一个会立刻感受到,并做相应改变。

量子通信绝对安全?

  传统光通信是通过光的强弱变化传输信息。从中分出一丁点光并不影响其他光继续传输信息,测量这一丁点光原理上就能窃取信息。

  量子通信则不同,窃听者如果想拦截量子信号,并对其进行测量,将不可避免地破坏携带密钥信息的量子态。根据量子“测不准定理”,这种破坏必然会被信息发送者和接收者所发现。同时,量子不可克隆定理又排除了“不破坏传输的量子态,只截取并复制再继续发送”的可能,从而保证了量子通信的绝对安全。

瞬间移动或能实现?

  “量子态隐形传输”是基于量子叠加和量子纠缠的特性,就是甲地某一粒子的未知量子态,可以在乙地的另一粒子上还原出来。其实传输的是粒子的量子态,而不是粒子本身。这种状态传送的速度上限仍然是光速,也不是“瞬间移动”。

  现在,在光子、原子等层面已经实现了量子态隐形传输。电影里“大变活人”在原理上是允许的,但目前还远远做不到。因为科幻电影里人的传送,不仅需要把人的实体部分的大量原子、分子传送,并且严格按照原来的相对位置重新排列起来,更何况重现意识和记忆就更复杂了。

量子大脑取代人类?

  所谓量子大脑,其实就是当今正在研制中的量子计算机。未来的量子计算机可能会对人工智能起到极大的帮助,在数据搜索、分析和处理方面提供远远超过目前经典计算机的运算能力。

  机器人都是预先设置好程序的,而人是有意识和自由意志的。研究发现,人脑中的思维机制与量子叠加、量子纠缠或许存在相似之处。所以也有学者认为,未来可望创造出与人脑一样运行的人工智能机器人。真到这种程度,机器与生物之间的界限已经非常模糊。这在目前还只是一种畅想,未来究竟怎样还得拭目以待。

量子科技如何应用?

  量子科技其实已在方方面面影响着我们的日常生活。如计算机、互联网、医院里的磁共振成像等,无一不得益于量子科技。

  用发展的眼光看,随着微纳加工、超冷原子量子调控等技术的不断进步,人类将能够制备出越来越复杂、功能越来越强大的各种人造量子系统,例如包括量子计算机芯片在内的各种量子电路,其功能和信息处理能力将远远超过我们目前正在使用的经典芯片,并且更加节能。

  量子科技的广泛应用将把人类社会带入量子时代,实现更高的工作效率、更安全的数据通信,以及更方便和更绿色的生活方式。

  本文摘编自京华时报文章:我国发射世界首颗量子卫星“墨子号”解决信息安全问题(作者潘珊菊),科技日报文章:“墨子”号,你是第一,也是第三!(作者李大庆),图片来自新华社、科技日报。