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《焦点访谈》 20160816 量子卫星开启星际首航

来源:央视网2016年08月16日 20:19

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央视网消息(焦点访谈):今天凌晨,我国在酒泉卫星发射中心成功发射了一枚科学实验卫星。很多观众可能会问:我们航天员都在太空行走了,天宫都在轨道值班了,玉兔都在月球登陆了,发射颗卫星还有什么稀奇?这颗星可不简单,它叫量子科学实验卫星,它是我国的第一颗,也是世界的第一颗,将首次进行卫星和地面之间的量子通信实验。对于大部分观众来说,量子恐怕都是个陌生的词。量子到底有什么神秘之处?量子卫星的发射成功给我们的生活可能带来什么影响?今天的节目,我们来为您解密。

今天凌晨140,由我国自主研发的世界首颗量子科学实验卫星——“墨子号”成功发射。中国科学家领先一步,将量子科学实验搬到了太空。

中国科学院院士量子科学实验卫星专项首席科学家潘建伟告诉记者:“我们觉得心情是非常激动的,因为这是我们从2003年开始考虑做这个项目,到今天最后的成功,其实整整花费了我们整个团队十多年的时间。”

首颗“量子科学实验卫星”重640公斤,轨道高度500公里。它搭载了4个有效载荷,分别是量子密钥通信机、量子纠缠源、量子纠缠发射机、量子实验控制与处理机,可与地面上相距千公里量级的两处光学站同时建立量子光链路。

量子科学实验卫星工程总师徐博明说:“在空间做量子通信我们在国际上是第一个。另外我们这样大尺度地做量子的物理实验,可以讲是首次。另外我们在激光通信方面,我们通信的码速率将达到5G,那也是创纪录的。”

听到这么多“首颗”、“首次”,不熟悉量子的人可能会觉得这颗卫星很牛,它到底是干什么的?和我们的生活又有什么关系呢?简单说,这颗量子卫星所执行的任务,有可能在将来让我们的通信实现无条件安全,再也不怕被人窃听;还有可能让我们的计算机比现在快上无数倍;甚至还有可能让“穿越”不再是神话。近年来,美国、欧洲、日本等国的科学家都在努力探索量子技术的神秘世界,只不过,现在他们能做的还只是在地面上,通过光纤等做实验。那么,我们为什么要率先到太空去做这些实验呢?

潘建伟说:“以前因为我们只能在地面拿光纤来做,到了100公里、200公里这个信号就很弱了,所以能够传输的信息量就很少很少。有了这个卫星之后,大气层对光的阻挡是很有限的,所以大概80%的信号可以成功到达地面。”

要想实现远距离甚至是覆盖全球的量子保密通信,天上的这颗卫星必不可少。同时,北京、青海等地还有4个量子通信地面站和1个空间量子隐形传态实验站,等着配合卫星一起工作。卫星从天上发出来的光量子信号,地面站的望远镜必须要想办法精准地接收,量子通信实验才能顺利完成。为此,科学家们攻克了不少难题。

量子科学实验卫星系统总师朱振才介绍:“这次的应用,特别是在空间做这样的技术,需要做的工作比在地面简单来实现要复杂得多,因为它有一个环境的适应,另外一个就是在卫星上来讲,几乎可以说是不可维护、不可修复的,它要求的可靠性、安全性这个要求就特别高。”

中国科学家们所做的种种努力,让中国实现了量子通信技术的全球领跑。不过,对于量子卫星来说,发射升空却仅仅只是个开始。此后,科学家们还将对卫星进行两个多月的在轨测试,然后才正式开启科学实验。这些实验每一个的名字都有点儿拗口:星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等。听着是不是一头雾水?要想弄明白,我们有必要先来了解一下究竟什么是量子?它有什么特性?

物理世界中有一个幽灵般的存在,100多年前,爱因斯坦也曾被它所产生的种种诡异现象所困惑,它就是量子。量子是物质的最基本构成单元,或者说是能量的最基本携带者。所有的微观粒子,包括分子、原子、电子、光子,都是量子的一种表现形态。

构成世界的所有物质都是由很小的微粒组成的,所以从某种程度上说,人类就是一个庞大量子的集合,整个世界也是由量子组成的。因为已经是最小的单位了,所以量子不能再被分割。

小小的量子有一个非常奇怪的特性——量子叠加。

在我们熟悉的经典世界里,一切都是确定性的。比如说一只猫,它或者是死的,或者是活的。再比如说你在一栋三层楼里,在某一个具体的时间点,你只能在其中的某一个地点。但在量子世界却完全不同,只要没有人来干扰,专业说法叫测量,你的状态就是不确定的。一只猫既可以是死的,也可以是活的,还可以处在“死”和“活”的叠加状态上,而你也可能同时在三层楼的任何地点。因为这些不确定性,所以量子不能被准确复制。

此外,量子还有一个让人匪夷所思的特性——量子纠缠。

微观世界里,两个粒子之间可以存在纠缠关系,当对其中一个粒子施行操作或测量,远处的另一个粒子的状态会瞬间发生相应的改变,哪怕距离很远也是这样。比方说,甲、乙二人在北京和上海同时掷骰子,正常情况下,两个人不可能每次掷出的结果都一样,但因为有了纠缠关系,这两个骰子就仿佛具有了“心电感应”一样,每次掷出的结果都完全一样,爱因斯坦称这个现象为“幽灵般的超距作用”。

量子为什么会这样至今还是个谜。不过,不知道为什么并不阻碍利用它的特性来为我们服务。比如说,人人可能都有感触的脆弱的信息安全。在传统的通信方式中,只要偷取一小部分信息,就能实现窃听,而且不被发现。

而在量子世界,这一切却可以被彻底颠覆。比如说,甲乙双方在通信的时候,会发送无数把秘密钥匙,以接收信息。这些钥匙全被加载到了量子身上。因为量子不可分割、不可复制,所以窃听者没法从量子身上偷出一小部分,要偷就会把整个钥匙都偷走,或者是扰动了量子状态,而这样一来,使用者就能马上发现,将钥匙作废,重新发送一把新的。

通过量子通信,人们可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题,也正因如此,量子通信也被称为是继微电子信息之后,最可能引发军事、经济、社会领域又一次重大革命的关键技术。而这次量子卫星在天上的任务之一就是尝试在天地之间发送这些秘密钥匙。

量子卫星的另一个任务是要验证量子间那种诡异的纠缠特性,在天地之间这么遥远的距离是否还会存在?而这种特性被运用到计算机上,将带来计算能力的质的飞跃。潘建伟说:“举个例子,目前全球最快的超级计算机是太湖之光,如果用太湖之光做一个1024次方的参数组成的这么一个线性方程组的话,它大概要算相当于100年以上。但是用一台万亿次的量子计算机,它只要0.01秒。”

对于量子卫星的另外一项任务——量子隐形传态,估计很多人会更感兴趣,因为它和“穿越”有关。在科幻电影中,你可能曾见过一种神奇的机器,人走进去会突然消失,之后被快速送到另一个遥远的地方。在诡异的量子世界里,这种穿越有可能真的实现吗?潘建伟说:“我觉得在原理上讲,至少目前的量子力学不禁止我们这么去做,你可以把它理解成为我把这边这个人还原成一团原始的物质了,然后到了那边把信息传过去之后,在量子纠缠的帮助之下,把他重构出来了,这个时候你的所有的记忆,所有的快乐,你所有的想法是完全一样的。”

当然,这次的太空实验是不可能真的把人隐形传走的,我们现在还没有这样的能力,科学家们要做的只是尝试看能不能把一些基本的粒子从地面传到卫星上。不过,有了这样的开始,未来又有什么不能期待的呢?

了解了量子的这些奇妙的特性,不知道现在的你是不是也开始对它产生兴趣了?实际上,信息科学从“经典时代”跨越到“量子时代”后,神秘的量子世界就早已成了世界各国竞相研究的前沿,西方主要发达国家更是把量子通信的研发和应用列为优先级战略。那么,在这场激烈的竞争中,中国实力如何呢?

在全球的量子通信竞赛中,中国虽然不是起步最早的,但如今却实现“弯道超车”,率先将量子科学实验搬到了太空,这不能不说是一个巨大的跨越。而在这之前,中国科学家还曾创造了很多个“世界首次”,比如在国际上首次成功实现量子态隐形传送以及纠缠态交换、实现国际上首个全通型量子通信网络等等。

中国科学家为什么能从经典信息技术时代的跟随者成长为未来信息技术的领跑者?首先是有国家给撑腰,量子通信已经成为国家战略,被重点发展。

2011111日,中科院空间科学战略性先导专项正式启动实施,而量子卫星正是它的五大专项任务之一。如今,暗物质粒子探测卫星“悟空”以及“实践十号”返回式科学实验卫星均已成功发射。集中力量办大事更是让量子卫星的研制、发射一路绿灯。

量子科学实验卫星工程科学应用系统总师彭承志表示:“我们跟国外人员做交流的时候,国外这个领域的科学家甚至一些元老非常羡慕我们,觉得在中国能够比较快地决策,能够集中力量做这样一个大的在整个领域非常瞩目的事情,他觉得我们有非常好的机会。”

今年年底,世界上第一条远距离量子通信保密干线“京沪干线”即将开通。地上的这条总长2000多公里的光纤网络加上天上的卫星,将初步构建我国天地一体化的广域量子通信体系。

潘建伟认为:“现在我们也在做一些相关的技术研发,比如说希望这个光纤能够跟传统的光纤完全进行波分复用,这样的话在千家万户,每家有一个很简单的光学探测器,就可以接收到密钥了。我觉得5年应该有初步的小规模的应用,10年我觉得应该是一个比较大规模的应用,15年我觉得应该能够惠及到千家万户了。”

值得一提的是,这颗量子卫星被命名为“墨子号”。墨子不仅是我国古代的哲学家,也是位科学家,两千多年前就做过小孔成像实验,明确指出光线是直线传播。他将丰富的科学知识用于实际,以擅长防守城池闻名。如今,随着“墨子号”量子卫星进入太空,中国在量子通信领域走在了世界前列。虽然从实验到应用还有很长的路要走,但这一实验的开展,却让我们看到了使用量子技术和安全通信的广阔前景。中国计划在2030年建成全球化的量子通信网络,这些科学实验的成果不仅将在国家安全和军事战略层面对国家形成根本保障,最终也将改变我们的生活。

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来源:央视网

更新时间:2016年08月16日 20:19

视频简介:本期节目主要内容: 今天凌晨,我国在酒泉卫星发射中心成功发射了一枚科学实验卫星。很多观众可能会问:我们航天员都在太空行走了,天宫都在轨道值班了,玉兔都在月球登陆了,发射颗卫星还有什么稀奇?这颗星可不简单,它叫量子科学实验卫星,它是我国的第一颗,也是世界的第一颗,它将首次进行卫星和地面之间的量子通信实验。对于大部分观众来说,量子恐怕都是个陌生的词。量子到底有什么神秘之处?量子卫星的发射成功给我们的生活可能带来什么影响?今天的节目,我们来为您解密。 (《焦点访谈》 20160816 量子卫星开启星际首航)

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