http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2016-08-16
“墨子”入轨，中国领跑量子太空竞赛
示意图 卫星发出一对纠缠光子，两个站同时收到。
经过十三年准备，“墨子号”终于成功升空。
“墨子号”是世界上首颗量子科学实验卫星。量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟说，给它起名“墨子”，是因为墨子首先通过小孔成像实验发现了光沿直线传播，而且他也提出了某种意义上的“粒子论”。
带着中国先贤的名字，这颗卫星于凌晨发射至高度为500公里的预定轨道。半夜发射一颗太阳同步卫星，是为了保证它每次飞过中国上空都在夜间，夜间试验可以规避光线干扰。
那么，量子卫星的前世今生是什么？它是否会成为世界量子通信研究领域最亮的“星”？
量子卫星设想由来已久
“2003年，我们想到，为了真正实现远距离量子通讯，可能需要卫星。”8月15日，东风航天城的东风宾馆，潘建伟面对媒体回忆起量子卫星想法的诞生。
那时，距离潘建伟在中国建立第一个光量子操纵实验室，仅仅两年。
量子有许多神奇的特性，其中之一就是“纠缠”。对处于纠缠态的其中一个粒子进行操作，会影响到另一个粒子。不管这两个粒子相距多远，他们都有着不可思议的“心灵感应”。
于是，量子隐形传态的概念被提出：关于一个量子客体的全部信息在某个地点被扫描输入，又能在一个新的地点重构出来。
但是，传递处于纠缠态粒子的过程，充满着噪音、散射和各种形式的其他干扰，任何一种干扰都会破坏隐形传态所必需的精巧的量子关联。比如，纠缠光子通过光纤传输，但光纤会吸收光，这大大限制了光子的传输距离。潘建伟说，即使存在超出目前技术水平的10G赫兹理想单光子源和100%探测效率的理想单光子探测器，但若要在1000公里光纤中进行点对点量子通信，每300年也只能传输一个比特。“因此，要实现覆盖全球的广域量子保密通信，还需要借助卫星的中转。”
通过一系列的实验，量子隐形传态的距离纪录被中外科学家一再刷新。
2005年，潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验，证实光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持。
2007年开始，潘建伟与中科院一些机构合作，做地面验证。2010年，他们论证了发射卫星的可能性；2011年底，量子科学实验卫星项目正式立项。
困难全都得自己解决。
“墨子号”常务副总师兼卫星总指挥王建宇说，他的工作就是帮助科学家梦想成真。“2011年到今天，我们经历了原理样机、初样、正样几个阶段的努力。因为是国际上第一颗量子卫星，毫无参照。以前有些卫星任务，多少能找到参考，在国际做法的基础上改进。但量子卫星的困难全得自己解决。”
王建宇举了一个难点：“首先，卫星微弱的光发下来，地面要收到。一千公里远，0.7个角秒，对不准不行，而且地面要收到每一个光子。因为光的编码是偏振状态，我们不但要收到光子，还要完美检测偏振状态，才能变成密码。”
王建宇打比方说，这就相当于人坐在万米高空的飞机，向下扔一连串硬币，要扔进一个慢慢旋转的储币罐的缝里。必须瞄准好，因为硬币斜了也投不进去。而且，“密钥分发时候，每秒钟要接收1亿个光子。这些光子的次序还不能搞错，搞错就白收了。”王建宇说。
接受光子的望远镜的灵敏度，相当于月球上划一根火柴，地球上就要测到。而潘建伟则比作：在地球上能看清木星卫星上的车牌号。
“卫星上发出一对纠缠光子，要两个站同时收到，国际上从未做过。”王建宇说，“美国人做过一个点对准。他们是强光通信，要用强光引导。我们是弱光通信，用5种光，还要区分出来。”
潘建伟坦言，卫星研制过程中，遇到了各种难题，很难说哪个困难最大。他透露，在卫星设计过程中，他们也有过重要的调整。“宇宙中有很多高能粒子，我们的卫星要接受地面信号，需要红外探测器在宇宙环境中，单光子水平下长时间工作。西欧给出的测试报告，说探测器可以经受高能粒子打击。结果我们去验证，1个星期探测器就被打坏了。于是，我们就想将轨道搞低一点，避开高能粒子，但作用有限。后来我们又用了一种办法，让探测器即使身处高能粒子打击下，还能工作1年以上。”
建立跨大陆的量子通信连接
其实，在自由空间量子通信领域，潘建伟的竞争对手之一，就是他曾经的导师，奥地利科学院院长、物理学教授安东·蔡林格（Anton Zeilinger）。
从纠缠光子分发到量子隐形传态，中国团队和奥地利团队不断竞争，立下一个又一个里程碑。
蔡林格研究组同样一直在和欧洲空间局商讨建立量子卫星计划。但是，“它的运行机制太慢了，以至于没有做出任何决策”。
“墨子号”发射成功，中国团队在量子太空竞赛中，已经领先一步。
现在，潘建伟和蔡林格团队有了一个共同目标——在北京和维也纳之间生成和共享一个安全的量子密钥。
量子密钥，即发送方和接收方采用单光子状态作为信息载体来建立的密钥。单光子不可分割、不可复制，也无法被精确地测量。无论现在还是将来，无论破译者掌握怎样先进的窃听技术，基于量子力学原理而建立的密钥，不可能被破解。
这就是“绝对安全”。量子通信被视为保障未来信息社会通信安全的重要技术基础。
“随着中国科技的迅猛发展，我相信量子通信将在不到10年时间里辐射千家万户。期盼在我有生之年，能亲眼目睹以量子计算为终端、以量子通信为安全保障的量子互联网的诞生。”潘建伟说，“相信我国科学家做得到。”
奥地利的研究团队同样投入热情，加入这场新的国际合作。蔡林格说：“我的一个学生正开始学习汉语。”他希望，此次量子科学实验卫星项目，能够为两个大陆之间，建立起第一个量子通信连接。
2030年，建成全球化广域量子通信网络
这样的通信连接，还会有更多。
潘建伟说，从量子卫星到地面跨度为500公里，地面站之间相距1200公里，据他所知，这是国际上跨度最大的单个实验室。
他所说的地面站，是量子卫星科学应用系统的一部分。这个系统的配置为：1个中心——合肥量子科学实验中心；4个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站；1个平台——阿里量子隐形传态实验平台。
卫星的成功发射，并不意味着团队可以稍事休息，这条征途没有尽头。潘建伟心中的时间表，也已经排到了2030年。
“单颗低轨卫星无法覆盖全球，同时由于强烈的太阳光背景，目前的星地量子通信只能在地影区进行。要实现高效的全球化量子通信，还需要形成一个卫星网络。”潘建伟强调。
接下来，团队还要开展空间站“量子调控与光传输研究”项目。该项目将研究星间量子通信技术、全天时量子通信技术等，同时进行量子密钥组网应用、多种技术体制的空间激光通信验证、量子密钥分发与激光通信复合的加密信息传输系统等应用研究，为下一步的卫星组网奠定技术基础。
“如果进展顺利，国家也支持发射多颗量子通信卫星，那么有希望到2030年左右，建成全球化的广域量子通信网络。”潘建伟说。 （高博 张盖伦）
[人民网-科技日报]
量子卫星升空 将催生通信产业链千亿市场
首颗量子科学实验卫星在酒泉升空，引起全球关注。中国率先在这一领域的突破，将催生量子通信千亿市场，引发世界新一轮的通信技术研发竞争。量子通信产业链主要包含元器件、通讯设备、量子通信网络运营及专网应用服务四个环节。这其中，无论哪一个环节都充满商机。
三十年前奇想破茧化蝶
我国科学家为量子通信实用化铺平道路
1984年，IBM的两位工程师提出了全新保密通信方案，用量子物理学的极端特性来确保秘密不被窃取。这一方案中，传送者用光子的不同偏振态来表示密钥，也就是按照直线或对角线偏振的方式发出不同的光子。如果有人企图窃听，他只有在中途拦截光子测量，然后按照测量值发送一个相同的粒子。每窃听一个光子，窃听者有四分之一的可能被发现。当密钥长度增长至72个光子时，窃听者不被发现的可能仅有十亿分之一。
1991年，英国科学家又提出了一种新思路：用量子纠缠态来发密文。如果A和B各持有一个双胞胎粒子；A只要操作粒子，B就会得到同样的结果。这也是目前量子通信技术的理论基础。
1989年，IBM实验室制造了一个叫“玛莎姨妈的棺材”的小盒子，其中光子携带着密钥走了30厘米，证实了量子保密通信可行。1993年英国国防部将这一纪录提高到10公里。但是得到单个光子源，减少光子信号传输中的损耗，都是实际应用面临的困难。2006年，中科大的潘建伟团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了超过100公里的光纤量子密钥分发；而美国和奥地利科学家随后也做到这一点。2008年，潘建伟团队发明了量子中继器，使得即将衰竭的光子将信息传给其他光子，被《自然》称赞为“清除了量子通信的一块拦路石”。
一步一步，量子通信实用化的路铺平了。
各国纷推星地计划
中国量子通信卫星先行一步
2008年，欧盟发布《量子信息处理与通信战略报告》；随后欧盟启动量子通信技术标准化研究，并成立“基于量子密码的安全通信”工程。目前，欧盟计划启动10亿欧元的量子技术旗舰项目，旨在建立极具竞争力的欧洲量子产业。
美国同样积极，美国国防部支持的“高级研发活动”计划将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及长距离光纤网络；NASA也计划在其总部和喷气推进实验室之间建立一个直线600公里、包含10个骨干节点的远距离光纤量子通信干线，并计划拓展到星地通信。在美国国防部2013年到2017年的科技发展计划中，量子信息与控制技术被列入六大颠覆性研究领域。它将IBM、美国国防部高级研究计划署、中科大、洛克希德马丁公司和日本NTT公司列为该领域重要研究机构。
2014年，全球最大的独立科技研发机构美国Battelle公司提出商业化的广域量子通信网络规划，计划建造环美国的万公里量子通信骨干网络，为谷歌、IBM、微软、亚马逊等公司的数据中心提供量子通信服务。
日本也提出了量子信息长期战略。日本国立信息通信研究院计划在2020年实现量子中继，到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络。
世界各国都在准备或已开展星地量子通信计划，其中包括美国NASA的PhoneSat计划，奥地利联合欧空局开展的“Space-QUEST”实验计划等。但中国的卫星先行一步。
中国发力后程赶超
量子通信产业化正在国际上担当领跑者角色
2013年，中科院设立了量子科学实验卫星战略先导专项计划，由中科大、中科院各院所和航天八院共同攻关。按照项目首席科学家潘建伟的计划，中国量子通信技术发展分三步：一是通过光纤实现城域网络；二是通过量子中继器实现城际网络；三是通过卫星中转实现可覆盖全球的广域网络。此次卫星发射开启了第三步。
在回答“为何先于欧美发射量子卫星”时，潘建伟说：“大多数人仍致力于实验室内部的原理性演示时，我们的团队已经开始思考如何能够在太空中实现量子信息传输，并早在2003年就初步构想了量子科学实验卫星计划。自2005年起，我们团队就开始星地量子通信的地面验证实验。”
“Anton Zeilinger研究组以及欧洲众多的优秀研究团队一直在与欧洲空间局商讨建立以国际空间站为平台的星地量子通信计划，然而，欧空局缓慢的决策机制使得这一计划一再拖延。”潘建伟说，“而在我国，一方面，国家高强度支持……另一方面，在卫星量子通信方向出现重大突破迹象时，中科院快速做出前瞻性决策，得以在国际上率先启动。”
“在量子通信产业化及相关应用技术方面，我们已经走在了美国的前面。”科大国盾量子公司总裁赵勇在接受媒体采访时说，“2011年，合肥城域量子通信试验示范网建成，该网络包括46个节点，是当时世界上首个规模化量子通信网络；2013年，济南量子通信试验网建成，该网络包括56个节点、90多个用户，面向完全承载实际应用、量子网络运维和优质的用户体验，是目前世界上最大的城域量子通信网络；目前在建的京沪干线项目，计划于2016年底建成连接北京、济南、合肥、上海等城域网络且全长2000多公里的量子保密通信线路，其将成为全球首个也是距离最远的广域光纤量子保密通信骨干线路。可以说，中国在量子通信产业化方面，正在国际上担当领跑者的角色。”
未来5年
量子通信或能服务普通消费者
中科院预计到2020年，亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发将实现，届时连接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。2030年左右，中国将建成全球化的广域量子通信网络。
目前中国建成的城域量子通信网络数量和长度均领先全球，它将率先在专网通信领域应用，用于数据传输和存储，主要客户为政府、军队和金融机构，未来将逐渐在公网和云安全等领域运用。据估计，未来5年，量子通信的市场规模有望达到100亿元以上。2017年中国专网通信市场预计将达169亿元，其中量子通信占据35亿元以上。
还有媒体预计，2019年前后，量子通信将会服务于消费者的网上转款和支付。全国性的组网建设将由运营商主导，量子网络标准将建立。2023年有望建成全国量子通信网。最终，量子通信模块被集成进信息产业的基础设施。
据报道，继京沪干线成功示范后，中国第一条量子通信商用干线“沪杭干线”预计将于今年9月竣工。
（本文部分内容由中科院科学传播局提供材料）
量子通信成为列强竞争新高地
欧盟计划启动10亿欧元的量子技术旗舰项目，旨在建立极具竞争力的欧洲量子产业。
美国国防部的“高级研发活动”计划将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及长距离光纤网络。
日本计划在2020年实现量子中继，到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络。 （高博）
【人民网-科技日报】
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专家:中国舰艇部署有强大武器系统 可拦截反舰导弹
人民网北京8月16日电 （记者 黄子娟）据日本《读卖新闻》14日报道，为加强离岛防御，日本政府决定开发新型的岸舰导弹，并尽快部署到冲绳的“西南前线”。军事评论员宋忠平在接受央视《今日亚洲》采访时表示，中国水面舰艇上部署有强大防空和反导武器系统，有足够能力拦截反舰导弹。
报道称，日本拟研制的新型导弹射程将达到300公里，配备基于全球卫星定位系统的侦察发射装置，并由车辆搭载以确保机动性，具有在离岛防御过程中有效打击敌军军舰的能力。日本防卫省会将开发经费列入2017年防卫预算申请，并计划在2023年左右完成部队部署，导弹部署候选地为冲绳的宫古岛、石垣岛等，从而将钓鱼岛乃至台湾岛东北沿海纳入导弹射程范围。
宋忠平认为，日本早就扬言在宫古岛、石垣岛等邻近岛屿上部署超远程反舰导弹，以此遏制中国进出太平洋的水面舰艇以及其它军事目标。但这种导弹对于中国水面舰艇构成的威胁有限，日本想通过反舰导弹封锁中国是痴心妄想。日本的主要考量是打算通过部署此类导弹将美国拉下水，成为维护其利益的帮手。
“之前日本研制的反舰导弹都有美国‘鱼叉’导弹的痕迹，研制真正国产化的超音速、超远程反舰导弹，是日本的目的。”宋忠平如是说。
此前，美日还举行过战时封锁宫古海峡的演习，公开散布“有事时”会封锁宫古海峡的消息。宋忠平表示，在战时，如果日本胆敢对宫古海峡或者其它相关水道等国际水域进行封锁，中方可以直接攻击其陆基反舰导弹，消灭其阵地，这样日方就丧失了封锁海峡的完整能力。
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【人民网】