初中—物理—八年级上下册 九年级全一册—九年级—第十五章 怎样传递信息——通信技术简介—三、现代通信技术及发展前景
揭开量子卫星的神秘面纱


2016年8月16日,由中国科学技术大学主导研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射升空。这使得我国成为世界上首个实现太空和地面之间量子通信的国家,同时也建成了我国天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。“墨子号”今年年初已完成在轨测试任务,正式交付使用。那么,到底什么是量子卫星呢?

要想了解量子卫星,还得先从“量子”说起。

1.什么是“量子”?

量子(quantum)是现代物理的重要概念,最早是由德国物理学家普朗克在1900年提出的。科学家发现在微观物理世界,能量、角动量、自旋、电荷等物理量都表现出不连续的分离化性质,也就是说物理量是某个最小单位的整数倍,不能出现这个最小单位的分数倍,而且这个单位也不能再分。

其实“量子”并不神秘,生活中也有很多的量子概念。比如,人民币的最小单位是1分。这个1分,就是量子。虽然电子交易和算利息的时候,会用到厘,但是实际上不会出现1厘钱,实际的钱最少是1分。再比如人数,也只能是1的整数倍,不能出现半个人,所以人数也是量子化的。

在物理学上也有很多大家熟知的量子概念和量子现象。比如,电荷的电量只能是电子带电量的整数倍,所以电荷是量子化的;光是由光子组成的,光的能量是一份一份的,光子的能量不能再分了,所以光也是量子化的。这些例子可都是高中物理就学过的,其实“量子”并不深奥,有木有?物理学上的量子化现象主要表现在微观物理世界,这也是大多数人不了解“量子”的原因。

2.量子有哪些特性?

由量子的定义可知,量子具有不可分割的特性。此外,量子还具有量子叠加、量子纠缠、不可克隆等特性。正是基于量子的这些特性,量子信息技术才得以飞速发展。

所谓量子叠加,就是说一个量子可以同时存在好几种状态。在日常生活中,一个物体不可能同时出现在两个地方。但在量子世界里,微观粒子却拥有孙悟空的“分身术”本领,一个孙悟空同时出现在多个地方,孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。量子叠加态只有在被观测或测量时,才会随机地呈现出某种确定的状态。

所谓量子纠缠,就是说处于量子纠缠态的两个量子就像一对有心电感应的孪生兄弟,无论相距多远,只要哥哥的状态发生变化,弟弟的状态立即会发生相应的变化。

所谓量子不可克隆,就是说在量子世界中,对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制的过程是不可实现的,这就是量子不可克隆定理。

3.量子通信和经典通信相比,有什么优势?

与经典通信相比,量子通信的最大优势在于它的安全性和高效性。这里我们重点来说安全性,或者说是保密性。

假设师小北要把某信息传递给物理宝宝,如果采用经典的通信方式,那么信息很容易被窃听。我们在一些谍战片里都看过,为了窃听对方的电话,间谍直接爬上电线杆,然后把窃听设备接头插在电线上,就能截获电话信息。这种窃听并不会改变和影响信息的信号,包括波形和强度,所以下图中的信息显然已经被窃听到了,而物理宝宝却根本无法察觉窃听者的存在。

 

当然,你可能会说,只要师小北将信息加密,只有师小北和物理宝宝知道密钥不就行了?但是,随着未来超级计算机技术的发展和量子计算机的出现,再难的加密技术破解起来那都不是事儿!

 

如果采用量子通信,就会让窃听变得毫无可能。进行量子保密通信时,需要事先制备一对具有量子纠缠态的光子,通过量子信道分发给师小北和物理宝宝,这两个光子就是量子密钥,它们就像一对有心电感应的孪生兄弟,不论相距多远,只要一个光子发生变化,另一个光子马上就会发生变化。师小北要将信息——某未知量子态传递给物理宝宝,她需要将具有未知量子态的光子与自己的纠缠态光子进行联合测量,这时物理宝宝的纠缠态光子瞬间变化为某种状态。然后师小北将联合测量的信息通过经典信道传送给物理宝宝。由于两个光子之间存在一定的关联,物理宝宝根据接收到的信息对变化的光子进行一定操作(幺正变换),即可得到与师小北完全相同的未知量子态。

 

窃听者要想得到师小北的未知量子态,就必须从量子信道下手获取量子密钥。由于单光子不可分割和量子不可克隆原理,所以窃听者无法像经典通信那样分离出部分信号或者直接复制信号,只能拦截信息,而一旦拦截信息,就要对其进行测量,而这将破坏携带密钥信息的量子态,从而被发现。这就从根本上保证了信息传输的绝对安全。

 

4.量子通信一定要用量子卫星吗?

上文提到,量子通信需要通过量子信道分发纠缠光子对,也就是量子密钥。由于地面上有很多障碍物,在自由空间进行量子通信,光子会遇到阻挡,所以前期的量子通信实验主要是在光纤里进行的。在城市范围内,通过光纤构建城域量子通信网络无疑是最佳方案。但要实现远距离甚至全球量子通信,仅依靠光纤量子通信技术是远远不够的。科学家通过实验发现,量子通信的信号在光纤里传输一百公里以后,99%的信号就都损耗掉了,而光子在穿破大气层之后则能很好地存活。于是,量子卫星使远距离乃至全球量子通信的实现成为可能。

 

“墨子号”的主要应用目标是通过卫星和地面站之间的量子密钥分发,实现星地量子保密通信,并通过卫星中转实现可覆盖全球的量子保密通信。“墨子号”可以在千公里外的外太空以10kbps的速率给地面站分发量子密钥,比地面同距离光纤量子通信水平提高了15个数量级以上。

5.墨子和量子有什么关系?

墨子可不是物理学的概念,而是墨家学派的创始人,也是战国时期著名的思想家、教育家、科学家和军事家。

 

首颗量子通信卫星之所以用我国古代科学家墨子的名字来命名,是因为墨子最早提出过光线沿直线传播的观点,并设计了小孔成像实验(见北师大版初中物理教材八年级全一册第211页),奠定了光通信、量子通信的基础,一方面纪念墨子在早期物理光学方面的成就,另一方面也体现了中国的文化自信。

 

本文作者:邓丽平,转载自“北师大基础教育教材”微信公众号。