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| 本文作者： 知社學(xué)術(shù)圈 | 2016-08-17 14:51 |
雷鋒網(wǎng)按：本文由知社學(xué)術(shù)圈原創(chuàng)編譯。
8月16日凌晨，中國量子衛(wèi)星“墨子”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。作為世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，發(fā)射升空之后將會進(jìn)行量子通信實驗。未來在軌運行的兩年時間里，它將配合地面的五個臺站，進(jìn)行大量工作，并將幫助我們建立一個極其安全的全球通信網(wǎng)絡(luò)。
中國空間量子衛(wèi)星領(lǐng)軍人物，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉院士說，之所以起名墨子，因為墨子首先通過小孔成像實驗發(fā)現(xiàn)了光是直線傳播的，而且墨子也提出了某種意義上的粒子論。 “因此，光量子學(xué)實驗衛(wèi)星用這位中國先賢命名，我認(rèn)為是很妥帖的?！?/p>
潘院士是如何看待這一壯舉的呢？讓我們看看今年早些時候Nature對他的采訪。
潘建偉院士
我們總是保持著兩個念頭。首先的感覺就是“萬事俱備”，我們很開心也很興奮。然而，時不時我們會想：“可能項目不會成功?！?/p>
衛(wèi)星的飛行速度太快，繞地球一圈只需90分鐘。它還會遇到紊流等各種問題。所以單光子束會受到很大影響。另外我們還需要克服來自太陽、月亮的背景噪聲，以及來自地面城市的光噪聲。這些都比我們的單光子要強(qiáng)烈得多。
我們的首要任務(wù)是在衛(wèi)星和北京地面站、衛(wèi)星和維也納地面站之間建立量子密鑰分發(fā) (通過光子的量子屬性進(jìn)行編碼和共享的密鑰)。然后我們會看看以衛(wèi)星為中繼設(shè)備，能否在北京和維也納之間建立量子密鑰。
第二步將進(jìn)行1000公里以上的遠(yuǎn)距離糾纏分發(fā)。我們的技術(shù)可以在衛(wèi)星上產(chǎn)生糾纏光子對。我們會將光子對中的一個光子發(fā)射到青海的德令哈站，另一個光子發(fā)射到云南的麗江站或新疆的南山站。兩個地面站之間的距離約為1200公里，以往的測試大約為100公里。
懷疑量子力學(xué)的人并不太多，但如果探索新的物理內(nèi)容，就必須做到極致。從理論上講，量子糾纏能夠在任何距離間保持。但我們想看一看是否存在物理極限。人們會問，在經(jīng)典世界和量子世界之間是否具有某種邊界，我們則希望構(gòu)建某種宏觀系統(tǒng)，它可以為我們展示量子現(xiàn)象在這種環(huán)境下仍然可以存在。
將來，我們還計劃在地球和月球之間嘗試糾纏密鑰分發(fā)。我們希望通過嫦娥計劃將一顆量子衛(wèi)星發(fā)射至地月系統(tǒng)中的引力穩(wěn)定點 (拉格朗日點)。
位于西藏的阿里站則主要配合衛(wèi)星一起參與第三項量子科學(xué)實驗——量子隱形傳態(tài)。我們將從阿里站將糾纏光子對中的一個光子發(fā)射至衛(wèi)星。以阿里站的糾纏光子為中轉(zhuǎn)，第三個光子也將被傳送到太空中的那個粒子處。
（在中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心內(nèi)的量子模擬實驗室，工作人員調(diào)試超冷原子光晶格平臺的激光伺服系統(tǒng)）
量子衛(wèi)星是一個基礎(chǔ)科學(xué)空間任務(wù)，中國于2015年12月發(fā)射的暗物質(zhì)粒子探測器 (DAMPE) 也是。這是否意味著基礎(chǔ)研究衛(wèi)星是中國的一個新趨勢？
是的，我和中科院的同事們都希望推動這一領(lǐng)域的發(fā)展。過去，中國只有兩個機(jī)構(gòu)具備衛(wèi)星發(fā)射能力：軍隊和工信部。所以科學(xué)家沒有途徑來發(fā)射科研用衛(wèi)星。唯一的例外是我們與歐航局在2003年合作發(fā)射的雙星探測器，用于研究地球的磁暴。
中科院的科研人員都非常努力地向政府表達(dá)了我們的需求：擁有發(fā)射科研衛(wèi)星的途徑非常重要。2011年，中國設(shè)立了戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，這包括了暗物質(zhì)粒子探測器和我們的量子衛(wèi)星。這是很重要的一步。
太空衛(wèi)星模擬資料圖
我認(rèn)為中國的責(zé)任不光是為我們自己做些什么——很多國家都已經(jīng)登陸月球，并進(jìn)行載人空間飛行——而是去探索一些未知的領(lǐng)域。
決定哪些項目可以進(jìn)入空間站的判斷機(jī)制已經(jīng)發(fā)生了很大變化。最初，軍方希望承擔(dān)這一職責(zé)，但最后這一工作落在了中科院的肩上。
我們將在空間站上設(shè)置一個量子實驗，這將給我們的研究帶來很多便利，因為我們可以不斷地對實驗進(jìn)行升級 (不像量子衛(wèi)星)。我們對于這種安排感到非常高興，我們只需要和中科院的領(lǐng)導(dǎo)交換意見，他們也是科學(xué)家，所以交流起來非常方便。
我們知道，“墨子”將為我們創(chuàng)造一個超安全的通信網(wǎng)絡(luò)，理論上可以鏈接世界任何地方。當(dāng)然，加拿大、日本、意大利和新加坡的科研團(tuán)隊也計劃進(jìn)行量子空間實驗。
中國科技大學(xué)物理學(xué)者陸朝陽是中國衛(wèi)星支持團(tuán)隊的一員，他表示：“可想而知，這將是一場競賽?！?/strong>陸教授曾獲得知社學(xué)術(shù)圈2015年中國科技新銳人物特別貢獻(xiàn)獎。
陸朝陽教授，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
飛行器重達(dá)640公斤，是中國空間科學(xué)衛(wèi)星的最新成員。項目耗資1億美元，中國科學(xué)院和奧地利國家科學(xué)院為共同合作方。
量子通信極其安全，因為任何微小的干擾都可以被發(fā)現(xiàn)。雙方共享的密鑰被編碼進(jìn)極化的光子序列中，任何竊聽活動都會留下其痕跡。
目前，科研人員已經(jīng)成功掌握距離長達(dá)300公里的量子通信。光子穿越光纖，傳播會被散射或吸收。在保持光子脆弱的量子態(tài)時放大信號是極為困難的。因此，我國學(xué)者希望通過空間進(jìn)行光子傳輸，在這種環(huán)境下將更為順暢，并能夠覆蓋更遠(yuǎn)的距離。
衛(wèi)星核心部位擁有一塊晶體，能夠產(chǎn)生一對對糾纏的光子，無論它們分開多遠(yuǎn)，其屬性都保持糾纏。飛行器的首要任務(wù)就是向位于北京和維也納的地面工作站發(fā)射這樣的光子對，通過它們生成密鑰。
在未來兩年中，項目組計劃進(jìn)行一個統(tǒng)計學(xué)測量，即驗證空間貝爾不等式從而證明糾纏可以存在于相隔1200公里遠(yuǎn)的粒子之間。盡管量子理論預(yù)測糾纏狀態(tài)可以在任意距離維持，但這個實驗將進(jìn)一步證明。
研究人員還將嘗試量子隱形傳態(tài)，通過傳統(tǒng)方法傳輸信息，并將糾纏的光子對賦予其中，從而在新位置重建光子的量子態(tài)。
潘建偉院士演示實用化量子通信產(chǎn)品進(jìn)行遠(yuǎn)距離保密通話
奧地利國家科學(xué)院物理學(xué)家Anton Zeilinger表示，量子互聯(lián)網(wǎng)很可能要依靠衛(wèi)星與地面工作站的結(jié)合，目前仍存在一些挑戰(zhàn)。比如科學(xué)家需要找到衛(wèi)星之間直接相互交流的方法；需要從不同源頭產(chǎn)生糾纏光子的技術(shù)；需要提高數(shù)據(jù)傳輸效率，使單光子從每秒兆比特級提高到每秒千兆比特級。
最終，空間量子隱形傳態(tài)將使科研人員能夠利用來自衛(wèi)星的光子形成一個分布式望遠(yuǎn)鏡，以地球的大小為光圈，并提供巨大的分辨率。NASA物理學(xué)家Paul Kwiat說 ：“你將不僅能觀察那些行星，理論上講，連放在木星衛(wèi)星上的一塊車牌都能看到。”
Zeilinger還表示，中國量子衛(wèi)星的試驗成功無疑將推動其他研究團(tuán)隊的發(fā)展，科研經(jīng)費也會更容易劃撥。
【參考資料】
1、China’s quantum space pioneer: We need to explore the unknown
2、Chinese satellite is one giant step for the quantum internet 新華社
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