《焦點(diǎn)訪談》 20160816 量子衛(wèi)星開啟星際首航_CCTV節(jié)目官網(wǎng)-CCTV-13_央視網(wǎng)(cctv.com)
央視網(wǎng)消息(焦點(diǎn)訪談)：今天凌晨，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了一枚科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。很多觀眾可能會問：我們航天員都在太空行走了，天宮都在軌道值班了，玉兔都在月球登陸了，發(fā)射顆衛(wèi)星還有什么稀奇？這顆星可不簡單，它叫量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，它是我國的第一顆，也是世界的第一顆，將首次進(jìn)行衛(wèi)星和地面之間的量子通信實(shí)驗(yàn)。對于大部分觀眾來說，量子恐怕都是個(gè)陌生的詞。量子到底有什么神秘之處？量子衛(wèi)星的發(fā)射成功給我們的生活可能帶來什么影響？今天的節(jié)目，我們來為您解密。
今天凌晨1：40，由我國自主研發(fā)的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——“墨子號”成功發(fā)射。中國科學(xué)家領(lǐng)先一步，將量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)搬到了太空。
中國科學(xué)院院士、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星專項(xiàng)首席科學(xué)家潘建偉告訴記者：“我們覺得心情是非常激動的，因?yàn)檫@是我們從2003年開始考慮做這個(gè)項(xiàng)目，到今天最后的成功，其實(shí)整整花費(fèi)了我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)十多年的時(shí)間?！?/span>
首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”重640公斤，軌道高度500公里。它搭載了4個(gè)有效載荷，分別是量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏源、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)，可與地面上相距千公里量級的兩處光學(xué)站同時(shí)建立量子光鏈路。
量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程總師徐博明說：“在空間做量子通信，我們在國際上是第一個(gè)。另外我們這樣大尺度地做量子的物理實(shí)驗(yàn)，可以講是首次。另外我們在激光通信方面，我們通信的碼速率將達(dá)到5個(gè)G，那也是創(chuàng)紀(jì)錄的?！?/span>
聽到這么多“首顆”、“首次”，不熟悉量子的人可能會覺得這顆衛(wèi)星很牛，它到底是干什么的？和我們的生活又有什么關(guān)系呢？簡單說，這顆量子衛(wèi)星所執(zhí)行的任務(wù)，有可能在將來讓我們的通信實(shí)現(xiàn)無條件安全，再也不怕被人竊聽；還有可能讓我們的計(jì)算機(jī)比現(xiàn)在快上無數(shù)倍；甚至還有可能讓“穿越”不再是神話。近年來，美國、歐洲、日本等國的科學(xué)家都在努力探索量子技術(shù)的神秘世界，只不過，現(xiàn)在他們能做的還只是在地面上，通過光纖等做實(shí)驗(yàn)。那么，我們?yōu)槭裁匆氏鹊教杖プ鲞@些實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/span>
潘建偉說：“以前因?yàn)槲覀冎荒茉诘孛婺霉饫w來做，到了100公里、200公里這個(gè)信號就很弱了，所以能夠傳輸?shù)男畔⒘烤秃苌俸苌?。有了這個(gè)衛(wèi)星之后，大氣層對光的阻擋是很有限的，所以大概80%的信號可以成功到達(dá)地面?！?/span>
要想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、甚至是覆蓋全球的量子保密通信，天上的這顆衛(wèi)星必不可少。同時(shí)，北京、青海等地還有4個(gè)量子通信地面站和1個(gè)空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站，等著配合衛(wèi)星一起工作。衛(wèi)星從天上發(fā)出來的光量子信號，地面站的望遠(yuǎn)鏡必須要想辦法精準(zhǔn)地接收，量子通信實(shí)驗(yàn)才能順利完成。為此，科學(xué)家們攻克了不少難題。
量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)總師朱振才介紹：“這次的應(yīng)用，特別是在空間做這樣的技術(shù)，需要做的工作比在地面簡單來實(shí)現(xiàn)要復(fù)雜得多，因?yàn)樗幸粋€(gè)環(huán)境的適應(yīng)，另外一個(gè)就是在衛(wèi)星上來講，幾乎可以說是不可維護(hù)、不可修復(fù)的，它要求的可靠性、安全性這個(gè)要求就特別高?！?/span>
中國科學(xué)家們所做的種種努力，讓中國實(shí)現(xiàn)了量子通信技術(shù)的全球領(lǐng)跑。不過，對于量子衛(wèi)星來說，發(fā)射升空卻僅僅只是個(gè)開始。此后，科學(xué)家們還將對衛(wèi)星進(jìn)行兩個(gè)多月的在軌測試，然后才正式開啟科學(xué)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)每一個(gè)的名字都有點(diǎn)兒拗口：星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)等。聽著是不是一頭霧水？要想弄明白，我們有必要先來了解一下究竟什么是量子？它有什么特性？
物理世界中有一個(gè)幽靈般的存在，100多年前，愛因斯坦也曾被它所產(chǎn)生的種種詭異現(xiàn)象所困惑，它就是量子。量子是物質(zhì)的最基本構(gòu)成單元，或者說是能量的最基本攜帶者。所有的微觀粒子，包括分子、原子、電子、光子，都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。
構(gòu)成世界的所有物質(zhì)都是由很小的微粒組成的，所以從某種程度上說，人類就是一個(gè)龐大量子的集合，整個(gè)世界也是由量子組成的。因?yàn)橐呀?jīng)是最小的單位了，所以量子不能再被分割。
小小的量子有一個(gè)非常奇怪的特性——量子疊加。
在我們熟悉的經(jīng)典世界里，一切都是確定性的。比如說一只貓，它或者是死的，或者是活的。再比如說你在一棟三層樓里，在某一個(gè)具體的時(shí)間點(diǎn)，你只能在其中的某一個(gè)地點(diǎn)。但在量子世界卻完全不同，只要沒有人來干擾，專業(yè)說法叫測量，你的狀態(tài)就是不確定的。一只貓既可以是死的，也可以是活的，還可以處在“死”和“活”的疊加狀態(tài)上，而你也可能同時(shí)在三層樓的任何地點(diǎn)。因?yàn)檫@些不確定性，所以量子不能被準(zhǔn)確復(fù)制。
此外，量子還有一個(gè)讓人匪夷所思的特性——量子糾纏。
微觀世界里，兩個(gè)粒子之間可以存在糾纏關(guān)系，當(dāng)對其中一個(gè)粒子施行操作或測量，遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子的狀態(tài)會瞬間發(fā)生相應(yīng)的改變，哪怕距離很遠(yuǎn)也是這樣。比方說，甲、乙二人在北京和上海同時(shí)擲骰子，正常情況下，兩個(gè)人不可能每次擲出的結(jié)果都一樣，但因?yàn)橛辛思m纏關(guān)系，這兩個(gè)骰子就仿佛具有了“心電感應(yīng)”一樣，每次擲出的結(jié)果都完全一樣，愛因斯坦稱這個(gè)現(xiàn)象為“幽靈般的超距作用”。
量子為什么會這樣至今還是個(gè)謎。不過，不知道為什么并不阻礙利用它的特性來為我們服務(wù)。比如說，人人可能都有感觸的脆弱的信息安全。在傳統(tǒng)的通信方式中，只要偷取一小部分信息，就能實(shí)現(xiàn)竊聽，而且不被發(fā)現(xiàn)。
而在量子世界，這一切卻可以被徹底顛覆。比如說，甲乙雙方在通信的時(shí)候，會發(fā)送無數(shù)把秘密鑰匙，以接收信息。這些鑰匙全被加載到了量子身上。因?yàn)榱孔硬豢煞指睢⒉豢蓮?fù)制，所以竊聽者沒法從量子身上偷出一小部分，要偷就會把整個(gè)鑰匙都偷走，或者是擾動了量子狀態(tài)，而這樣一來，使用者就能馬上發(fā)現(xiàn)，將鑰匙作廢，重新發(fā)送一把新的。
通過量子通信，人們可以從根本上解決國防、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問題，也正因如此，量子通信也被稱為是繼微電子信息之后，最可能引發(fā)軍事、經(jīng)濟(jì)、社會領(lǐng)域又一次重大革命的關(guān)鍵技術(shù)。而這次量子衛(wèi)星在天上的任務(wù)之一就是嘗試在天地之間發(fā)送這些秘密鑰匙。
量子衛(wèi)星的另一個(gè)任務(wù)是要驗(yàn)證量子間那種詭異的糾纏特性，在天地之間這么遙遠(yuǎn)的距離是否還會存在？而這種特性被運(yùn)用到計(jì)算機(jī)上，將帶來計(jì)算能力的質(zhì)的飛躍。潘建偉說：“舉個(gè)例子，目前全球最快的超級計(jì)算機(jī)是太湖之光，如果用太湖之光做一個(gè)10的24次方的參數(shù)組成的這么一個(gè)線性方程組的話，它大概要算相當(dāng)于100年以上。但是用一臺萬億次的量子計(jì)算機(jī)，它只要0.01秒?！?/span>
對于量子衛(wèi)星的另外一項(xiàng)任務(wù)——量子隱形傳態(tài)，估計(jì)很多人會更感興趣，因?yàn)樗汀按┰健庇嘘P(guān)。在科幻電影中，你可能曾見過一種神奇的機(jī)器，人走進(jìn)去會突然消失，之后被快速送到另一個(gè)遙遠(yuǎn)的地方。在詭異的量子世界里，這種穿越有可能真的實(shí)現(xiàn)嗎？潘建偉說：“我覺得在原理上講，至少目前的量子力學(xué)不禁止我們這么去做，你可以把它理解成為我把這邊這個(gè)人還原成一團(tuán)原始的物質(zhì)了，然后到了那邊把信息傳過去之后，在量子糾纏的幫助之下，把他重構(gòu)出來了，這個(gè)時(shí)候你的所有的記憶，所有的快樂，你所有的想法是完全一樣的?！?/span>
當(dāng)然，這次的太空實(shí)驗(yàn)是不可能真的把人隱形傳走的，我們現(xiàn)在還沒有這樣的能力，科學(xué)家們要做的只是嘗試看能不能把一些基本的粒子從地面?zhèn)鞯叫l(wèi)星上。不過，有了這樣的開始，未來又有什么不能期待的呢？
了解了量子的這些奇妙的特性，不知道現(xiàn)在的你是不是也開始對它產(chǎn)生興趣了？實(shí)際上，信息科學(xué)從“經(jīng)典時(shí)代”跨越到“量子時(shí)代”后，神秘的量子世界就早已成了世界各國競相研究的前沿，西方主要發(fā)達(dá)國家更是把量子通信的研發(fā)和應(yīng)用列為優(yōu)先級戰(zhàn)略。那么，在這場激烈的競爭中，中國實(shí)力如何呢？
在全球的量子通信競賽中，中國雖然不是起步最早的，但如今卻實(shí)現(xiàn)“彎道超車”，率先將量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)搬到了太空，這不能不說是一個(gè)巨大的跨越。而在這之前，中國科學(xué)家還曾創(chuàng)造了很多個(gè)“世界首次”，比如在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)量子態(tài)隱形傳送以及糾纏態(tài)交換、實(shí)現(xiàn)國際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)等等。
中國科學(xué)家為什么能從經(jīng)典信息技術(shù)時(shí)代的跟隨者成長為未來信息技術(shù)的領(lǐng)跑者？首先是有國家給撐腰，量子通信已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略，被重點(diǎn)發(fā)展。
2011年1月11日，中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)正式啟動實(shí)施，而量子衛(wèi)星正是它的五大專項(xiàng)任務(wù)之一。如今，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”、以及“實(shí)踐十號”返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星均已成功發(fā)射。集中力量辦大事更是讓量子衛(wèi)星的研制、發(fā)射一路綠燈。
量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師彭承志表示：“我們跟國外人員做交流的時(shí)候，國外這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家甚至一些元老非常羨慕我們，覺得在中國能夠比較快地決策，能夠集中力量做這樣一個(gè)大的在整個(gè)領(lǐng)域非常矚目的事情，他覺得我們有非常好的機(jī)會?！?/span>
今年年底，世界上第一條遠(yuǎn)距離量子通信保密干線“京滬干線”即將開通。地上的這條總長2000多公里的光纖網(wǎng)絡(luò)加上天上的衛(wèi)星，將初步構(gòu)建我國天地一體化的廣域量子通信體系。
潘建偉認(rèn)為：“現(xiàn)在我們也在做一些相關(guān)的技術(shù)研發(fā)，比如說希望這個(gè)光纖能夠跟傳統(tǒng)的光纖完全進(jìn)行波分復(fù)用，這樣的話在千家萬戶，每家有一個(gè)很簡單的光學(xué)探測器，就可以接收到密鑰了。我覺得5年應(yīng)該有初步的小規(guī)模的應(yīng)用，10年我覺得應(yīng)該是一個(gè)比較大規(guī)模的應(yīng)用，15年我覺得應(yīng)該能夠惠及到千家萬戶了?！?/span>
值得一提的是，這顆量子衛(wèi)星被命名為“墨子號”。墨子不僅是我國古代的哲學(xué)家，也是位科學(xué)家，兩千多年前就做過小孔成像實(shí)驗(yàn)，明確指出光線是直線傳播。他將豐富的科學(xué)知識用于實(shí)際，以擅長防守城池聞名。如今，隨著“墨子號”量子衛(wèi)星進(jìn)入太空，中國在量子通信領(lǐng)域走在了世界前列。雖然從實(shí)驗(yàn)到應(yīng)用還有很長的路要走，但這一實(shí)驗(yàn)的開展，卻讓我們看到了使用量子技術(shù)和安全通信的廣闊前景。中國計(jì)劃在2030年建成全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)，這些科學(xué)實(shí)驗(yàn)的成果不僅將在國家安全和軍事戰(zhàn)略層面對國家形成根本保障，最終也將改變我們的生活。
聯(lián)系客服
