這個(gè)夏天最值得關(guān)注的不是里約的金牌，
不是寶寶的綠帽，
是中國(guó)發(fā)射的全球首顆量子衛(wèi)星！
面對(duì)這么高精尖的東東，
很多童靴一臉茫然，
下面就讓喜寶給大家講講吧。
什么是量子衛(wèi)星？
量子衛(wèi)星就是接受地球上傳出的量子通信信號(hào)，將此信號(hào)傳輸給另一個(gè)可以接受量子通信信號(hào)的衛(wèi)星或者是地球上的另一個(gè)接收點(diǎn)。
要點(diǎn)一：量子衛(wèi)星是用于量子通信的通信衛(wèi)星。
什么是量子通信？量子通信有什么好處？
量子是物理世界最小的不可分割的物質(zhì)單位，它有兩個(gè)神奇的特性：量子疊加和量子糾纏。要搞清楚這兩個(gè)特性需要學(xué)幾本物理學(xué)教科書(shū)，相信大家也沒(méi)這個(gè)時(shí)間和耐心，喜寶這里只告訴大家這兩個(gè)特性的結(jié)果就可以了。
“量子有多個(gè)可能狀態(tài)的疊加態(tài)，只有在被觀測(cè)或測(cè)量時(shí)，才會(huì)隨機(jī)地呈現(xiàn)出某種確定的狀態(tài)，因此，對(duì)物質(zhì)的測(cè)量意味著擾動(dòng)，會(huì)改變被測(cè)量物質(zhì)的狀態(tài)?！?br>
量子疊加的特性意味著從發(fā)出到接受的中途如果有擾動(dòng)是可以被觀測(cè)到的。
通信加密是依據(jù)某種加密規(guī)則對(duì)信息進(jìn)行加密處理，而接受者再依據(jù)前述的加密規(guī)則對(duì)已加密的信息進(jìn)行解密。這里的加密規(guī)則就是“密鑰”。現(xiàn)代通信加密就是一方面將信息加密出給接收方，讓后用另外的方式將密鑰傳給接收方。問(wèn)題來(lái)了，如果密鑰被人截取了該怎么辦？如果知道被截取還好，廢掉這個(gè)加密信息重新發(fā)送即可；但如果密鑰被截取而接收方還不知道，還以為加密信息是安全的，那問(wèn)題就大量。利用量子疊加原理傳輸密鑰就可以解決這個(gè)問(wèn)題，一旦密鑰被截取，接受方是可以察覺(jué)的！
這就是利用量子疊加的量子保密通信。
下面看“量子糾纏”。
所謂的量子糾纏，則意味著兩個(gè)糾纏在一起的量子就像有心電感應(yīng)的雙胞胎，不管兩個(gè)人的距離有多遠(yuǎn)，當(dāng)哥哥的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，弟弟的狀態(tài)也跟著發(fā)生一樣的變化?！叭绻@兩個(gè)光量子呈糾纏態(tài)的話，哪怕是千公里量級(jí)或者更遠(yuǎn)的距離，大家認(rèn)為，還是會(huì)出現(xiàn)遙遠(yuǎn)的點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)。”潘建偉補(bǔ)充道，兩個(gè)處于糾纏狀態(tài)的粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，都能“感應(yīng)”對(duì)方狀態(tài)，愛(ài)因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。科學(xué)家就可以利用這種效應(yīng)將甲地某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來(lái)。
科學(xué)家還在探索同時(shí)利用量子疊加和量子糾纏進(jìn)行“量子隱形傳態(tài)”，也就是將粒子的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)的地方而不用傳送粒子本身，從而更具有隱蔽性和安全性。
要點(diǎn)二：量子通信安全可靠。
為什么要發(fā)射衛(wèi)星？
量子保密通信技術(shù)正從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化，通過(guò)光纖建構(gòu)的城域量子網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)開(kāi)始嘗試實(shí)際應(yīng)用，那為什么還要把量子實(shí)驗(yàn)室從地面搬到太空呢？那是由于光纖的固有損耗，在光纖中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信面臨著巨大挑戰(zhàn)。
原來(lái)，用量子通信方式傳遞信息，傳送的是光的最小能量單元。但這種最小的顆粒，不能再被分割，也不能復(fù)制。即使采用目前最先進(jìn)的理想單光子探測(cè)器，在1000公里光纖中進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子通信，每300年也只能傳輸一個(gè)比特?！熬秃帽纫恢碛?00萬(wàn)人的隊(duì)伍，到最后可能只剩下幾個(gè)人，花了很長(zhǎng)時(shí)間才能抵達(dá)目的地。”這種受制于光纖，不能放大量子通信信號(hào)的問(wèn)題，導(dǎo)致了在遠(yuǎn)距離上信息傳遞效率很低，令科學(xué)家們一籌莫展。雖然通過(guò)量子中繼手段，即分成若干段傳輸來(lái)降低每一段的損耗，用“量子接力”的方式解決這一難題，但走向?qū)嶋H應(yīng)用還需時(shí)日。
后來(lái)，科學(xué)家意識(shí)到，真空里不會(huì)有光的損耗，想要實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)。
2005年，我國(guó)科學(xué)家、院士潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，證明光子穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持，從而驗(yàn)證了星地量子通信的可行性。近幾年開(kāi)展的一系列后續(xù)實(shí)驗(yàn)都為發(fā)射量子衛(wèi)星奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
“這樣一來(lái)，通過(guò)發(fā)射衛(wèi)星，去除干擾因素，就可以實(shí)現(xiàn)幾千公里的量子通信?！迸私▊フf(shuō)，有了量子衛(wèi)星，還可以在宏觀距離上檢驗(yàn)所謂的量子力學(xué)的非局域性，也就是“幽靈般的超距作用”?！翱纯丛趯?shí)驗(yàn)室里不斷被重復(fù)檢驗(yàn)的理論，放在太空是否還能實(shí)現(xiàn)?！?/p>
將來(lái)有什么用？
量子保密通信，能夠從三個(gè)方面保障信息安全。第一，發(fā)送者和接收者之間的信息交互是安全的，不會(huì)被竊聽(tīng)或盜取。第二，“主仆”身份能夠自動(dòng)確認(rèn)，只有主人才能夠使喚“仆人”，而其他人無(wú)法指揮“仆人”。第三，一旦發(fā)送者和接收者之間的傳遞口令被惡意篡改，使用者會(huì)立刻知曉，從而重新發(fā)送和接收指令。
“信息安全根本上需要解決的，就是傳輸內(nèi)容不被別人知道、保證接收者是和發(fā)送者對(duì)話，以及信息不被篡改?！迸私▊フf(shuō)，僅僅發(fā)射一顆衛(wèi)星是不夠的，只有形成星座才能建構(gòu)起網(wǎng)絡(luò)，而且需要地面配置相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施，確保網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接到千家萬(wàn)戶。
“比如，將來(lái)可以在手機(jī)中植入量子加密芯片，用來(lái)接收并存儲(chǔ)密鑰?！迸私▊ッ枋隽艘环磥?lái)場(chǎng)景，人們只需要每天在家里，將手機(jī)和量子密鑰分發(fā)機(jī)連接，就能夠?qū)崿F(xiàn)保密通信。“走到這一步，還需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造，制定通信標(biāo)準(zhǔn)等，10年至15年，有望實(shí)現(xiàn)。”
得益于這種絕對(duì)安全性，量子通信不僅應(yīng)用于百姓日常通信，也可用于水、電、煤氣等能源供給和民生網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的通信保障，還可應(yīng)用于國(guó)防、金融、商業(yè)等領(lǐng)域，勢(shì)必對(duì)產(chǎn)業(yè)界和科技界產(chǎn)生巨大變革。
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