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 長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭搭載“墨子號(hào)”科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星升空

一年多前，我國(guó)用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭于酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地成功發(fā)射了“墨子”號(hào)量子科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星。而就在“墨子”號(hào)發(fā)射后一年多以來(lái)的時(shí)間里，無(wú)論是西方媒體還是我們的鄰國(guó)俄羅斯，都傳出了一系列讓人“唏噓”的評(píng)論，比如俄羅斯媒體就出現(xiàn)了“墨子號(hào)”量子科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星造成了2017年上半年俄羅斯氣溫過(guò)低、嚴(yán)寒的“奇葩”言論......

總之，對(duì)于“墨子”號(hào)究竟能不能造成俄羅斯的氣候問(wèn)題我們無(wú)從回答，更沒(méi)有直接證據(jù)。但是，我們可以向大家講解“墨子”號(hào)量子科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星究竟有什么真正令世界震驚能耐？

說(shuō)起“量子”通信，首先要解釋量子究竟是什么？這個(gè)問(wèn)題可能就會(huì)讓很多人頭大了。更別說(shuō)量子是美軍引以為傲的電子戰(zhàn)“終結(jié)者”，以及量子“糾纏”。目前，量子通信還沒(méi)有嚴(yán)格的定義。物理上，量子通信可以理解為物理極限下，利用量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的高性能通信。信息學(xué)上，我們認(rèn)為量子通信是利用量子力學(xué)的基本原理或者利用量子態(tài)隱形傳輸?shù)攘孔酉到y(tǒng)特有屬性，以及量子測(cè)量的方法完成兩地間的信息傳遞。

量子糾纏示意圖

量子糾纏是粒子在由兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)象。雖然粒子在空間上可能是分開(kāi)的，但它們的狀態(tài)確實(shí)是“糾纏”的。也就是說(shuō)，處于量子糾纏態(tài)的粒子系統(tǒng)中，雖然可以將粒子在空間上分開(kāi)，距離很遠(yuǎn)，但只要有一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生改變，那么另一方的粒子的狀態(tài)也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生改變。

假如，我們假定粒子順時(shí)針的轉(zhuǎn)時(shí)為“1”，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)為“0”。量子糾纏的兩對(duì)粒子放在A、B兩處，初始時(shí)都逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，A、B兩地的粒子就會(huì)都出現(xiàn)“00”狀態(tài)。當(dāng)A地許需要向B地船底信息“01”時(shí)，則改變A地的一個(gè)粒子的旋轉(zhuǎn)方向。此時(shí)，B地的相應(yīng)粒子也立即發(fā)生同樣的旋轉(zhuǎn)方向改變，B地的“粒子”就會(huì)出現(xiàn)“01”狀態(tài)，信息傳遞也就實(shí)現(xiàn)了。在量子通信的傳遞過(guò)程中，并沒(méi)有發(fā)生類(lèi)似電磁波等媒介的傳播，糾纏的粒子就只是同步發(fā)生著狀態(tài)變化。因此，目前哪怕是走在電子戰(zhàn)技術(shù)頂尖的美軍，在理論上目前也無(wú)法用電子戰(zhàn)對(duì)量子通信產(chǎn)生任何干擾和影響！

量子糾纏的速度

另外，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授通過(guò)對(duì)量子隱形傳統(tǒng)研究項(xiàng)目通過(guò)對(duì)量子糾纏的傳輸速度研究發(fā)現(xiàn)，量子糾纏的傳輸速度要超過(guò)光速，而且要高出4個(gè)數(shù)量級(jí)。在量子糾纏的幫助下，量子信息可以被瞬間傳輸并復(fù)制，就好像科幻小說(shuō)中描寫(xiě)的“超時(shí)空傳輸”，一個(gè)敵方的量子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不需要任何載體的傳輸，立刻就在另一個(gè)敵方被神秘的復(fù)制出來(lái)。當(dāng)然，量子通信并沒(méi)有真正的實(shí)現(xiàn)所謂的物質(zhì)“超時(shí)空傳輸”，因?yàn)楝F(xiàn)在的傳輸?shù)闹皇翘幱诹孔蛹m纏中的粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而不是粒子本身。但這樣的傳輸速度已經(jīng)超越目前一有的所有科技了！丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾就將量子糾纏成為“鬼魅似的遠(yuǎn)距離作用”。

當(dāng)量子糾纏的傳輸速度比光速高4個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，速度為30公里/秒的光要用1萬(wàn)年才能傳遞的距離，使用量子糾纏的傳輸時(shí)間僅為1年！如果從銀河系中心到銀河系邊緣的6萬(wàn)光年距離例，量子通信只需要6年；如果量子糾纏的傳輸速度高出5個(gè)數(shù)量級(jí)，則從銀河系中心到銀河系邊緣則只需要7.2個(gè)月；如果量子糾纏的傳輸速度高出6個(gè)數(shù)量級(jí)，則從銀河系中心到銀河系邊緣則只需要22天；如果量子糾纏的傳輸速度高出7個(gè)數(shù)量級(jí)，則從銀河系中心到銀河系邊緣則只需要2.2天；如果量子糾纏的傳輸速度高出8數(shù)量級(jí)，則從銀河系中心到銀河系邊緣則只需要5.3小時(shí)；如果量子糾纏的傳輸速度高出9個(gè)數(shù)量級(jí)，則從銀河系中心到銀河系邊緣則只需要31.6分鐘；如果量子糾纏的傳輸速度高出10個(gè)數(shù)量級(jí)，則從銀河系中心到銀河系邊緣則只需要3.2分鐘！

量子通信安全性的示意圖，可有效避免竊聽(tīng)

量子通信的安全性

量子通信的安全性源于量子力學(xué)的基本原理，其中之一便是不確定性原理，也稱(chēng)測(cè)不準(zhǔn)原理，即不可能同時(shí)精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)非對(duì)易的物理量，如量子的坐標(biāo)和動(dòng)量；二是測(cè)量坍塌原理，即對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量會(huì)不可避免地使該量子態(tài)坍塌所到某一個(gè)本征態(tài)上，這意味著對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量都會(huì)留下痕跡；三是不可克隆定理，即一個(gè)未知的量子態(tài)是無(wú)法被精確克隆的。量子通信正式利用了量子的這些不確定性，一旦信道上有竊聽(tīng)發(fā)生，通信本身必然受到影響，從而達(dá)到發(fā)現(xiàn)竊聽(tīng)者的目的，從而保證信道的安全。

但是這個(gè)量子通信系統(tǒng)也有確定，通信的兩者之間只能在機(jī)密消息傳送之后才能發(fā)現(xiàn)是否有竊聽(tīng)的出現(xiàn)，而不能在傳輸過(guò)程中察覺(jué)。因此通常在使用信道傳輸真正的機(jī)密消息之前，只能用量子密碼方法傳輸一個(gè)甚至多個(gè)隨機(jī)的密鑰，來(lái)判斷信道是否安全。實(shí)際上這是為了保證通信安全的一個(gè)基本處理原子，隨機(jī)密鑰可以是一個(gè)隨機(jī)的比特序列。這樣，當(dāng)消息正在傳輸時(shí)，竊聽(tīng)者通過(guò)測(cè)量量子系統(tǒng)的狀態(tài)來(lái)取消信息時(shí)必然改變?cè)袪顟B(tài)。如果通信雙方發(fā)現(xiàn)密鑰在傳輸過(guò)程中受到竊聽(tīng)，他們就會(huì)丟棄它。然后重新傳輸另一個(gè)隨機(jī)密鑰，制導(dǎo)沒(méi)有竊聽(tīng)出現(xiàn)為止。

量子通信的應(yīng)用

量子通信基于量子信息傳輸?shù)母吆统?jí)安全性作為新一代通信技術(shù)，近些年來(lái)已經(jīng)成為國(guó)際科研競(jìng)爭(zhēng)中的焦點(diǎn)領(lǐng)域之一。

早在2010年7月，中國(guó)安徽省合肥市城區(qū)量子通信試驗(yàn)示范網(wǎng)就啟動(dòng)建設(shè)，投入經(jīng)費(fèi)6000多萬(wàn)元。經(jīng)過(guò)1年多的努力，項(xiàng)目建成后各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該項(xiàng)目2012年3月29日通過(guò)安徽省科技廳組織的專(zhuān)家組驗(yàn)收，30日正式投入使用。主要用戶為對(duì)信息安全較高的政府機(jī)關(guān)、金融機(jī)構(gòu)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、軍工企業(yè)和科研院所。合肥量子通信網(wǎng)的建成后，北京、濟(jì)南、烏魯木齊等城市也開(kāi)始進(jìn)行量子通信網(wǎng)的建設(shè)，這些城市將來(lái)將與包括“墨子”號(hào)量子科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星在內(nèi)的量子衛(wèi)星進(jìn)行鏈接，形成中國(guó)國(guó)家廣域量子通信體系。

百年前，無(wú)線電的出現(xiàn)讓普通公眾還無(wú)法理解像神一樣的技術(shù)和現(xiàn)象。如今，量子通信能夠讓上千公里外，甚至上萬(wàn)公里，上幾十萬(wàn)公里外的瞬間信息傳播，有可能會(huì)讓不少人無(wú)法理解，而且還更加不容易破解！然而，我們不知道電磁波還會(huì)在人類(lèi)社會(huì)中繼續(xù)震蕩多久，但量子通信必將帶給人類(lèi)更美好的未來(lái)！

本文為科普中國(guó)網(wǎng)軍事頻道原創(chuàng)，作者京腔熱血小鯊魚(yú)。