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量子衛星：開啟人類保密通信新紀元

2016年08月15日01:29 科技日報

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　　一對纏繞的光子將被拆散，從太空發射到地面，開啟人類保密通信的新歷史。8月中旬，中國將發射首顆量子科學實驗衛星。

　　你粘好信封，滴蠟蓋上火印，但防不住有人拆開、讀完再復原；你想用電磁波傳遞一個秘密，但“音量”再低，也防不住精細的竊聽。最終，你設法將“音量”調低到如此程度：只發射一顆光子，任何間諜去測量都會破壞它，從而被發現。資訊微弱到了極限——量子級別，再小心的讀取都會徹底改變它，而不可能只改變一點點。中國量子衛星的保密原理就是如此。理論上絕對安全的密電一旦實現，銀行和軍隊都將獲益。

　　絕對保密的通信依靠量子糾纏，也就是愛因斯坦説的“幽靈般的超距離作用”來工作——兩顆光子無論相距多遠，總是“心靈感應”：一個變化，另一個就保持同步。於是一對糾纏的量子態的光子，可以被當作鑰匙分發給北京與上海。上海讀取光子B，破壞了它“既黑又白”的量子模糊狀態，讓它顯出黑或白色；北京的光子A也將心靈感應地破壞，呈現同樣顏色。如此發射和讀取一連串糾纏光子，北京和上海就能得到同樣的數列，比如“黑白白黑黑白黑白”，這就是密碼——間諜想要讀取一長串光子再原樣發送，而不被發覺的可能性為零。

　　量子科學家操縱鐳射發生器，讓一個光子分為兩個糾纏的光子——潛在的資訊寄託于它們的偏振態或其他屬性，再分發到儘量遠的地方並測量。中科大的潘建偉教授等科學家經過20年努力後，發明瞭能夠長時間（毫秒級）存儲量子的中繼器。人們已經能在地面上傳送糾纏光子跨越上百公里。奧地利曾用量子通信傳遞了銀行支票，瑞士用它傳送過大選得票資訊。在中國，“北京—濟南—合肥—上海”量子通信幹線已經建立。

　　但無論是近地面空氣還是光纖玻璃都容易阻擋和吸收光子。因此跨越大氣層的衛星量子通信方案很吸引人。即將發射的中國量子衛星品質約600千克，由長征—2D火箭運載，運作于500千米太陽同步軌道。衛星攜帶的一塊晶體將製造鐳射和一對糾纏光子，並且將他們分發到兩個地面站。

　　為了讓單個光子傳送數百公里，穿越大氣還能鑽進地面接收器，中國量子衛星必須時刻矯正位置，保持精確朝向兩個地面目標，這也是世界上未曾達到的精細度。傳輸錯誤率也得相當低，才能保證通信可行。接下來兩年，中國科學家將測試被分發到相距成千、甚至上萬公里的一對糾纏的光子能否保持糾纏——理論預言是可以的，但誰也沒做過。

　　飛機和地面之間的量子通信已經實驗成功。而近兩年，義大利、新加坡和英國的科學家也曾利用衛星探索天地量子通信的可行性，已製造出互相關聯的成對光子——糾纏光子的前一步。而中國則是第一個發射量子通信衛星試圖驗證整個流程的國家。

　　如果這次量子衛星實驗成功，中國量子通信網下一步將試圖連接中國和歐洲，並在2030年擴充成20顆衛星規模的全球網路。但近年來也有科學家撰文指出量子通信系統的一些安全漏洞，儘管不是量子加密方式本身的問題：比如中繼站在接收和發送之間存在資訊截獲的可能，這是中國科學家要設法避免的。

(責任編輯：羅伯特)

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