不泄天机——从量子卫星到“天宫二号”上的量子通信

◇ 北京 何 龙 程 帅 孟卫东(特级教师)

不泄天机
——从量子卫星到“天宫二号”上的量子通信

◇ 北京 何 龙 程 帅 孟卫东(特级教师)

“月兔号”月球车、“天宫一号”、“量子卫星”……近些年咱们中国人的科研成果总是出现在各类科技平台的头版头条上,也成为人们茶余饭后的谈资,“空间科学”一时间炙手可热.正当人们感慨“量子卫星”的神秘高冷时,中国的“天宫二号”空间实验室已于2016年9月15日22时04分09秒在酒泉卫星发射中心发射成功,它是继“天宫一号”后中国自主研发的第2个空间实验室,也是中国第1个真正意义上的空间实验室.

空间科学的英文全称是SPACE SCIENCE,又称太空科学,泛指利用航空航天设备探究地表之上、广至星际宇宙空间现象的自然科学,它涵盖物理、化学、生命科学等多学科领域,而且研究的课题大都涉及多学科间的融合.于是顾名思义,空间实验室即为空间科学研究服务的实验室,只是受到研究环境的限制,空间实验室需要利用航天器将其带入太空,进而完成一系列微重力环境下的科学实验,所以它又被称为“太空实验室”.可见空间实验室的定位是要高于空间站的,我国刚刚发射的天宫二号就是一个集多项高精尖实验设施于一体的综合型空间实验室.那么量子卫星、天宫二号与量子通信究竟有怎样的关联呢?

图1 “天宫二号”结构图

从古至今,人与人的交流总要以符号化或图形化的语言、文字作为载体,但作为社会化群体生活的人类总会在某种场合需要对交流的内容进行加密,防止旁人截获.于是就有了大家在谍战影视作品中经常看到的电报加密与解密的攻防战.

自人类使用语言以来,通过密钥给信息加密的技术就伴随着人类对通信保密程度的需求而不断发展.密钥的作用是用来对传输的信息进行加密,防止他人获取信息内容.信息时代的今天,互联网络几乎覆盖全球,人们信息传递的总量和频率达到了前所未有的程度,涉及个人、集体隐私泄露的事件随处可见.《纽约时报》就曾报道美国国家安全局监听谷歌、雅虎用户的通信,并且这种监听措施不需要任何形式的物理破坏,只需完成对其信息传递的光缆、电缆信号的扫描即可.通信保密、信息加密已是全球范围通信领域的重大课题.

其实自从计算机发明之后,现代密码技术的算法高度复杂化.以使用较为广泛的DES算法为例,由于密钥的选取完全随机,就是说一个长为128位的密钥拥有2128种组合,用目前世界最快的计算机之一中国“天河2号”的全部运算性能来破解这一密钥,至少要花1万亿年!那么量子通信的意义又在哪里呢?这就需要涉及现今密码通信的流程了:通信双方需要使用相同的密钥进行加密和解密,但在初次确定密钥或需要改变密钥时,通信双方必须直接以某种形式的通信交换,那么在密钥分配过程中就存在极大的危机.从另外一个层面上讲,随着时间的推移以及科技的累积,也许未来计算机破解DES算法密钥只是一瞬间的事儿.

传统意义和形式上的密码系统无论如何复杂,终究是有被破解的可能性,而量子通信密钥则不然,它从根本上规避了密钥被窃取或破解的可能性.这一切依然要归功于那个耳熟能详的“海森堡测不准原理”.简单来说在量子力学的微观机制下粒子的位置与动量不可能同时被测定,其位置的不确定度ΔQ与动量的不确定度ΔP遵循如下不等式:ΔP·ΔQ≥h,式中h是普朗克常量.也就是说任何属性的观测总伴随对被观测对象的干扰,一个量测量越准确干扰就越强烈,导致另一个物理量的不确定度增大.由此也衍生出了量子通信的一个基础理论“单量子不可克隆定理”:在量子力学范畴中,一个量子态是不可能被再次克隆的,因为克隆的前提是对量子态信息的获取,即测量,而测量本身就会对该量子态造成不可逆的影响.这样对量子密钥配送过程中任何形式的窥探都成为泡影,无法窥其原貌.

真正意义上将量子通信推向实际应用的事件不得不提到著名的“量子密钥分配BB84协议”,该协议于1984年被正式提出,并因其量子特性从根本上保证了密钥的安全性.并且2009年的时候科学家已经从理论上证明了,只要“因果律”成立,量子密钥分发的安全性就是严格得到保证的.所谓“因果律”就是不存在超光速运动,因为超光速飞行时光就可以倒流,就可以回到从前.到目前为止,因果性是物理世界中弥足珍贵的定则之一.在此后的许多年间,众多科学家均投身于量子通信领域,并在一定区域内实现了这一理想.近些年我国的量子通信研究在以潘建伟院士为首的研究团队带领下取得了长足的进步,从“墨子号”量子卫星的发射到“天宫二号”的顺利升天都有他们的贡献.

图2 天地量子通信

在中国,世界第一条量子保密通信主干线路“京沪干线”即将建成,上海还将建设量子保密通信上海总控及大数据服务中心、陆家嘴金融量子保密通信应用示范网等地面设施,这是国家地面光纤网络建设布局中的重要一环,将大幅提高中国在军事国防、金融系统的信息安全.为了能够在未来量子通信领域抢得先机,实现更远距离量子保密通信,2016年8月16日01时40分,由中国科学技术大学主导研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”顺利升空,紧接着载荷“量子密钥分配专项”的“天宫二号”也飞上太空.

图3 中国发射世界首颗量子卫星“墨子号”

“天宫二号”上的“量子密钥分配试验空间终端”可以向地面发射一个个某种偏振态的单光子,并且单光子在穿透大气层后,其状态不会受到干扰.通过高精度自动跟瞄(ATP)系统与量子密钥分配地面终端配合,就可以在地面站与目标飞行器之间建立起量子信道,并在此基础上进行空地量子密钥分配试验.这样用光纤来做地面城域网络,用空间卫星来做广域网络,就可以构建天地一体化的广域量子通信系统.

作为空间实验室,“天宫二号”上还有许多其他领域的实验装置,无一不是该领域的顶尖之作,如:综合材料实验装置,可以用200W的功耗实现950℃的炉温完成多种材料科学实验;“迷你温室”可以完成植物的全生命周期长约6个月全程直播;空间环境分系统能够实时监测地球辐射环境和轨道大气环境;等.

对宇宙空间的探索,是人类永恒的追求.在这条竞争激烈的科研之路上,中国在不停追赶,并不断创造出自己骄傲、造福世界的成果,今日的梦想就在这一步步的坚实步履下成为现实.

(作者单位:清华大学附属中学)