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“天宫”和“墨子”怎样搭配进行量子通讯实验?
    时间:2016-10-21     点击率:5364

《力学园地》编辑部:

最近中科院发射了“墨子”科学实验卫星,不久航天部门又发射搭载有量子密钥分配专项的“天宫二号”,这两项科学实验的目的有什么关系呢?

一名大学一年级的在校学生

2016-10-1

“天宫”和“墨子”怎样搭配进行量子通讯实验?

怡 心

2016816140分,我国在酒泉用“长征二号丁(CZ-2D)”运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。时隔仅仅1个月,2016年中秋夜2204分,“长征二号F(CZ-2F/T2)”运载火箭从酒泉卫星发射中心腾空而起,约575秒后,“天宫二号”与火箭成功分离,进入预定轨道。它们都担负着量子通讯实验的使命。

 “墨子号”量子科学实验卫星正样星

中国科学院空间科学先导专项“墨子号”发射任务的圆满成功,标志着我国空间科学研究又迈出重要一步,由于它载荷了一颗能够发射纠缠光子对的量子光源,因此被称作量子卫星。其主要科学目标是:借助卫星平台,进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破;在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。而“天宫二号”则担负着四项主要任务:与“神舟十一号”载人飞船交会对接完成两名航天员进行30天中期驻留,与货运飞船交会对接进行推进剂补加,在航天员驻留期间开展维修性技术试验及舱内其他实验项目,以及搭载14个科学实验开展空间技术应用。“天宫二号”搭载14项科学实验中,有一项叫“量子密钥分配专项”,就是以实现空地间实用化的量子密钥分配为目标,通过天上发射一个个单光子并在地面接收,生成“量子密钥”。

“天宫二号”中的量子密钥分配载荷

我们知道,随着互联网的大范围普及,人类的信息传递达到了前所未有的数量和频率,伴随而来的信息安全隐患,令当下互联网使用的加密标准(人们称之为“公钥系统”)受到前所未有的挑战。面对人类日益上升的信息安全需求,中国科学家潘建伟等寻找到了以“量子密钥分配”为核心的量子保密通信技术,并逐步从研究走向实用,形成了一定的产业规模。目前,在地面光纤网络建设方面,世界第一条量子保密通信主干线路“京沪干线”即将建成。然而为了更远距离的量子保密通信,在建设地面光纤网络的同时,还需借助多个飞行器覆盖光纤无法到达区域的量子密钥分配。这就是发射科学实验卫星的目的。

对于你提出的问题,我们认为这两项飞行实验是既有关联又有区别的。相同的是它们都开展量子信息实验;不同的是:相较于“墨子号”量子科学实验卫星主要针对包括双向量子纠缠分发和量子隐形传态在内的纠缠相关的量子通信实验,“天宫二号”搭载的量子密钥分配载荷目标更加聚焦,只针对量子密钥分发实验。并且,由于“墨子号”是太阳同步轨道运行,一天单轨,其量子密钥分发只作为实验目标,而“天宫二号”一天多轨道运行,可以进一步尝试空地量子密钥分发应用。至于量子保密通讯的原理以及其中涉及的量子密钥分配、量子纠缠分发和量子隐形传态等问题,网络上已有着很多的介绍这里不再赘述。

量子卫星首席科学家潘建伟院士说,墨子最早提出光线沿直线传播,设计了小孔成像实验,奠定了光通信、量子通信的基础。以中国古代伟大科学家的名字命名量子卫星,将提升我们的文化自信。他还展望着“随着中国科技的迅猛发展,我相信量子通信将在10年左右时间辐射千家万户。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:“我相信中国科学家们做得到。”这才是我们从事科学探索工作者应有的气质。在攀登科学险峰的征途上,会有困难,会有曲折,但我们要勇往直前,不达目标决不止步。