中国科学技术大学 中国科普博览:第二次量子革命究竟要干什么？_作品展示_移动融合创作
第二次量子革命究竟要干什么？
出品：科普中国
制作：中国科学技术大学 郭光灿 中国科普博览
监制：中国科学院计算机网络信息中心
　　量子力学是人类迄今最成功的理论，此理论衍生出诸如激光（光通信，互联网）、半导体（电脑，手机……），核能等，是造福于人类一个世纪的先进技术。但自量子论诞生一百多年来，科学家关于量子世界的奥秘却一直争论不休，迄今仍不知其答案。
　　量子力学的第一个百年（第一次革命）人们主要只做一件事，求解薛定谔方程，并取得辉煌成果，研制成功激光、晶体管等新型器件，将人类社会引进繁荣的信息时代。这一百年，人们只能问量子力学能让我们“做什么”，而不去问“为什么”。
　　量子信息的诞生打破了这个沉寂的僵局，因为量子信息领域涌现出许多新的物理概念，例如：纠缠、量子关联、非局域性……；同时研发出新的实验方法和工具，提供研究量子世界奥秘的新工具，点燃了量子力学的第二次革命。国际著名刊物《自然·物理》2014年发表编辑部纪念贝尔定理五十周年的评论，指出：将揭开“量子谜团”！
文见Nature 510, 312 (2014)
　　那么第二次量子革命究竟要干什么，这里有两件事要做——其一是继续“做什么”；其二是追问“为什么”。
　　第一次量子革命只是基于量子力学的原理开发出新型的经典器件（激光、半导体、电脑、手机……）造福于人类，这些器件遵从经典物理规律。
　　第二次量子革命则是直接开发基于量子特性本身的量子器件，这些器件遵从量子力学规律，它以量子态（量子比特）为单元，信息的产生、传输、存储、处理、操控等全都基于量子力学规律，是地道的量子器件，称为量子信息技术。其信息功能远远超越相应的经典器件，能突破现有信息技术的物理极限，在信息处理速度、信息安全、信息容量、信息检测等方面将发挥极大的作用，这种崭新的技术将给人类社会带来翻天覆地的变化。
　　目前正在开发的主要量子信息器件和技术，有量子计算、量子密码、量子网络、量子模拟、量子传感等，这些量子器件和技术的物理基础直接应用到量子世界的特性，如量子态叠加性，量子非局域性，量子不可克隆性等。第二次量子革命“做什么”就是开发基于量子特性的量子器件，促使人类从经典技术跨越到量子技术的新时代。
　　第二次量子革命要做的另一件事，是追问“为什么”。主要聚焦在下列两个方面：
　　量子世界的奥秘
　　量子世界与经典世界的兼容
　　当前科学界关注的热点问题有如下几个方面：
　　1.&量子世界与经典世界的界限问题（薛定谔猫佯谬）
　　经典世界和量子世界遵循着不同的物理规律。现实世界中宏观物质（经典）由原子、电子等微观粒子所构成。后者是量子世界，两者和谐于同一个客体中，那么，经典世界和量子世界的界限在哪里？更具体的问题是：薛定谔的猫态在何处不再存在？在量子世界和经典世界的边界附近是否有新的物理？当前，实验物理学家正在努力制备更大的宏观叠加态，以期对这一问题进行深入研究。
　　2. 量子测量问题
　　量子测量是量子力学基础的核心问题之一。量子力学的哥本哈根解释中，量子测量包含一个波包塌缩的过程，这个塌缩过程无法由量子动力学过程来描述。这就使得整个的量子力学需要有两个不同的过程：幺正演化和波包塌缩，这是不可接受的。更大的问题在于，对于这个塌缩过程人们知之甚微。为此，物理学家们尝试了各种能将波包塌缩过程去掉的量子测量理论，比如消相干理论，多世界理论等，然而到现在为止，人们仍未能找到一种令人满意的量子测量理论。
　　3.&隐变量和非局域问题
　　量子力学测量结果的随机性也是人们对量子力学不满意的重要原因之一。为消除随机性，人们尝试了不同的隐变量理论，比如，贝尔的局域隐变量理论和玻姆的导引波隐变量理论。人们已经发现局域隐变量理论与量子力学是不相容的，这说明量子力学是非定域的。那么，量子力学和非定域的隐变量理论(如玻姆力学)哪个才是微观世界更基本的理论呢？物理学家们正在设计实验来区分和检验量子力学与非局域隐变量理论。
　　4. 量子力学与因果律
　　5. 量子力学与相对论的融合
　　量子力学和相对论是近代物理最重要的两大支柱。然而，这两大支柱之间的融合却是当今物理学最大的困难。量子信息理论的发展为这两个理论的融合提供了契机。新的研究发现量子纠缠在空间几何化中可能起着关键性的作用，量子纠缠可能是空间的起源。基于这一新的思路，物理学家们正在研究量子力学和相对论的融合问题，而且很有可能取得突破。
2015年5月，郭光灿院士在安徽合肥发起举办了首届“量子力学二次革命”论坛
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　　出品：科普中国
　　制作：潘建伟 姜俊芳
　　监制：中国科学院计算机网络信息中心
　　随着我国发射的世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”的顺利升空，中国将成为全球第一个实现卫星和地面之间量子通信的国家，我国将实现“天地一体化”量子通信网络的初步构建，这也将成为量子通信领域的中国最强音。
　　作为迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式，量子通信技术在金融、军事和政务等领域的应用前景得到了世界各国的广泛关注，美国、日本等国也启动了相关的研究计划。此次“墨子号”的发射，更巩固了我国在量子通信领域的世界领先地位。
　　作为全球首颗量子卫星其独特之处在哪里？“墨子号”都承担了哪些科学任务？量子卫星又是如何实现“针尖对麦芒”般的精准定位的？伴随着地面光纤量子通信网络“京沪干线”的建设完成，我国将初步建立起世界上首个广域量子通信体系，人类正在步入量子信息的崭新时代，“绝对安全”的信息传递将为社会进步注入新的发展能量，更多关于量子卫星的最新独家报道，我们邀请到了中国科学技术大学常务副校长、中科院量子科学实验卫星先导专项首席科学家潘建伟进行了专题访问。
　　独一无二的“量子卫星”
　　“墨子号”量子科学实验卫星是中科院空间科学先导专项首批4颗科学卫星之一，是继暗物质粒子探测卫星“悟空”、微重力返回式科学实验卫星“实践十号”之后的第三颗科学实验卫星，其主要任务是开展基于卫星平台的广域量子通信和量子力学基础原理检验。那么具体的科研任务有哪些？
　　潘建伟表示，此次“墨子号”量子实验卫星的主要科研任务有三个：首先，通过量子卫星实现卫星和地面的量子密钥分发，从而实现广域的量子保密通信。潘建伟解释，之所以需要通过发射卫星来建立天地之间的量子通信网络，是由于地面信号的传输主要以光纤为媒介，而光纤传输的过程中信号损失相当严重，实验表明光纤传输的量子通信信号在两百公里以后就几乎被吸收殆尽，如果人类想实现远距离的量子通信传输就必须建立多个安全可信的信号中继站，这无疑大大增加了信息泄露的几率。科学家们经过研究发现，光在穿透大气层的过程中能量损失仅为百分之二十，也就是说天地之间数千公里甚至上万公里的距离，光在其间传输的损耗要远远低于在地面光纤网络中传输的损耗。利用这一原理，人类利用空间中的量子卫星作为地面网络的中转站，可以将地面多个城市中建立起的城际量子通信网络连接起来，从而极大地提高量子通信的效率。其次，“墨子号”还承担着对量子力学本身的基本原理进行检验的实验任务。量子纠缠态是量子力学中的一个经典现象，即在多粒子量子系统中，一对具有量子纠缠态的粒子，即使相隔极远，当其中一个状态改变时，另一个状态也会即刻发生相应改变。这种现象称为“量子非定域性”，曾经被爱因斯坦等用来质疑量子力学理论的完备性，并引发了长期的争论和持续至今的各种检验。科学家们在地面上已在相距100公里的距离成功地验证了量子非定域性，但尚未做到严格无漏洞的终极检验。而量子卫星将把这个实验带到外层空间，将在国际上首次得以实现千公里量级的量子非定域性实验检验，对于人类加深对量子力学基础理论的认识具有重要的意义。第三，“墨子号”将连接中国和奥地利之间的量子通信网，以证明全球规模的量子通信网络设想是可行的。这也是我国在量子通信领域开展的第一个大型国际合作，潘建伟也表示，未来我国将与更多国家开展合作，共同推动量子通信领域的进步与发展。
　　潘建伟还介绍道，作为建设“天地一体化”通信网络的重要组成部分，“墨子号”量子卫星与普通卫星相比存在着巨大的差异。发射升空的量子卫星以及建设在地面的多个地面观测站，共同组成了前所未有的覆盖地面和空间的巨大实验网络。
　　图1 量子保密通信原理图
　　“针尖对麦芒”的精准定位
　　“墨子号”量子通信卫星作为天地一体化的空间中转站，其承担着发射和传输光信号的重要任务，如何保证距离地球表面数百公里的光信号能够顺利被地面光学天线接收，潘建伟形象化地解释道，这其中涉及到的关键性实验技术的难度就好比是“针尖对麦芒”一样。
　　潘建伟介绍说，由于卫星发射的光信号是极其微弱的单光子级别，在由空间向地面传输的过程中会受到许多因素的干扰，比如星光、灯光等都将成为干扰信号传输的背景噪声。此外，卫星的运动速度很快，地面的光学天线必须时刻紧跟卫星的“节奏”才有可能实现信号的准确接收。所以，在“墨子号”量子通信卫星的设计过程中，不仅要克服各种噪声的干扰保证信号源的稳定，同时还要实现与地面光学天线的准确对接。尽管是如同“针尖对麦芒”般苛刻的实验条件，但是在我国科学家的不懈努力下，如此困难的技术难题也依然得到了解决。
　　图2 量子通信卫星概念图
　　保密通信的“京沪干线”
　　被称为“京沪干线”的地面量子通信网络，是“天地一体化”量子通信网络的地面组成部分。对于“京沪干线”的建设原理，潘建伟解释道：在建设地面量子通信网络的工程中，主要的应用都集中在城市范围内，将城市之间的城域网连接起来实现城际量子通信非常关键。据介绍，目前的技术仅能够达到点对点百公里量级的量子通信，所以就需要通过建立可信任的中继站点来起到信息中转的作用，连接相距数百公里两个城市的量子通信网络。已经建立起来的北京、济南、合肥、上海四个量子通信城域网，将在可信中继的帮助下，通过光纤串联起来，构成量子通信的“京沪干线”。未来还将会在每个城市中建设光学天线接收卫星的信号，这样，随着“墨子号”的顺利升空，地面的“京沪干线”与空间的量子卫星共同构成了覆盖全球的广域网络，充分利用卫星覆盖的广域性和光纤入户的便利性，从而真正实现“天地一体化”的量子通信。
　　图3 广域量子通信网络示意图
　　开启量子通信新时代
　　随着量子卫星的发射升空和下半年“京沪干线”的完工，中国的广域量子通信体系为率先建成全球化的量子通信卫星网络奠定了基础，人类即将实现全球范围内卫星和地面间的首次量子通信。“天地一体化”的量子通信网络即将铺就，历经30余年的量子信息研究也将步入深化应用的时代。未来，量子通信不仅仅只是一种全新的加密通信手段，它将成为新一代信息网络安全解决方案的关键技术和日益普遍的电子服务的安全基石，成为保障未来信息社会可信行为的重要基础之一。也许就在不远的将来，量子通信技术将如同手机、电脑一般，走入寻常百姓家。
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　　编辑：薛燕男
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中国首颗量子卫星升空 奥媒:开发量子网络的关键一步（全文）
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（原标题：中国首颗量子卫星升空 奥媒:开发量子网络的关键一步）
参考消息网8月16日报道 中国16日在位于戈壁沙漠的酒泉卫星发射中心发射了首颗量子通信卫星。据奥地利科学院透露，奥地利科学院院长安东&蔡林格带领的一个物理学家团队参与了该项目。据奥地利《标准报》网站8月15日报道，中国中央电视台在5月底的一档有关卫星的节目中宣称，中国准备成为首个从太空输送防窃听的加密信息的国家。量子卫星原定的发射时间是7月23日，但之后被推迟到了8月中旬。据实验物理学家、奥地利科学院院长蔡林格说，借助量子物理现象从卫星向地球上的地面接收站传输量子密钥，以此可建立起一种在迄今无法达到的距离上实现完全防窃听的数据传输模型。与此同时，这还是&开发未来量子网络的关键步骤&。计划中的量子卫星系统报道称，量子通信卫星项目首席科学家潘建伟曾在维也纳大学师从蔡林格获到博士学位。他说，这一方式是&革命性的&。&量子编码信息非常安全，即便是性能最好的计算机也无法破解，&潘建伟在中央电视台的节目中说。为通过这一技术对抗网络犯罪，&量子科学实验卫星&将成为从北京绵延至上海长达2000公里的量子通信网的一部分。此外，中国还计划建立一个量子通信卫星系统，到2030年实现全球量子卫星通信。这一项目也应澄清量子物理学的一个基本问题。这里主要涉及的是，被爱因斯坦称为&鬼魅般的超距作用&的量子纠缠现象是否在更远距离上依旧存在。在量子纠缠现象中，两个相互纠缠的粒子，比如两个光量子，在任意距离上相互关联。不论对其中一个粒子做什么，显然都会瞬时影响到另一个粒子的状态。如果令两枚骰子之间产生量子纠缠，在测量之前人们应该不知道它们最终显示的点数是多少。但测量后肯定会发现，两枚骰子朝上的一面是&&随机&&相同的。如果物理学家实际测量出两个纠缠光量子中的一个的偏振方向，在测量的同时，另一个光量子也会出现相同的偏振。这一日常认知水平难以理解的现象可被用于量子密钥传输。两座加那利岛屿上的纠缠量子报道称，蔡林格和他的团队在过去几十年中不断延长量子纠缠的距离。继实验室试验后，他们发射纠缠光量子穿越宫城酒窖走廊，穿过多瑙河下的污水管道，让它们穿越维也纳上空的大气层，然后最终穿越两座加那利岛屿之间的大气层&&这也是迄今保持的最远距离144公里。然而，在更远距离上的传输受到限制，因为地球大气层对光量子的影响过于强烈。所以现在试验被转移到了太空：由卫星向地球发射光量子，光量子仅需穿透短短几公里的大气层，受到的损耗相应较小。出于这一原因，2010年蔡林格与中科院签署了相关卫星项目的合作协议。量子通信卫星本身和所有地面装置仪器由中国人负责设计建造，他们为此耗费了5年时间。卫星重约600公斤，上面主要包括能够产生纠缠光量子对和传输光子的仪器。卫星的设计寿命为两年，将在约500公里高的绕地轨道上环行。奥地利地面站报道称，奥地利科学家为欧洲的实验提供了接收站。它们是格拉茨&卢斯特比厄尔的奥地利科学院太空所的&卫星激光测距站&和维也纳&阿尔瑟格伦德的奥地利科学院量子光学与量子信息研究所（IQOQI）的&海迪&拉马尔量子通信望远镜&。此外还有欧洲航天局的光学地面站。维也纳的物理学家已经借助它进行了限于地球的量子实验。&此外我们正准备设置一个机动地面站&&一个集装箱式的望远镜，可以轻易地运到不同地方&，IQOQI的托马斯&沙伊德尔说。据《中国空间科学学报》称，中国计划建设六个地面站。奥地利参与的实验有两种不同的生成量子密钥的方法，沙依德尔说。&这个过程相对简单：我们只需要从卫星向地面发送一系列光量子然后将其解码&，潘建伟说。&相对简单&是相对的&&具体来看则十分复杂：在没有重叠的方法下，是用脉冲激光将单个光量子发送到地面，这些光量子有四个可能的偏振（垂直、水平、右旋、左旋）。它们在地面由两个测量基（垂直&水平或者左旋&右旋）随机测定。卫星只告诉地面站，它准备将每个光量子发送到两个测量基中的哪个，但不会说明具体的偏振。如果接收基碰巧与发送基一致，具体的测试结果就被用于密钥，如果不一致，结果就不采纳。毁灭的叠加态报道称，第二种方法是在卫星生成重叠的光量子对。两个光量子被各自发送给不同的地面站。它们的偏振完全随机，要么是垂直&水平，要么是左旋&右旋，但是开始是不清楚的。物理学家将该状态称为&叠加态&。它在测量时毁灭，或者是在遭到窃听时。这时再在两个地面站的两个测量基中的随机一个进行测量（也就是要么垂直&水平要么左旋&右旋）。之后两个站点相互通信，它是在哪个测量基测量的，当然测量结果不会告知。如果测量基一致，结果就被用于密钥。发送基与接收基知道，因为重叠的两个粒子无论如何都会状态相同，所以垂直偏振可以用0代表，水平偏振用1代表，这样就可以生成一个二元密钥。如果测量基不一致，结果就废弃。每秒一对光量子报道称，通常一个这样的来源每秒生产大约100万对重叠的光量子对，但每秒只有一对通过两个接收站。&这是个科学论证，还不是达到的比特率&，沙依德尔说。如果卫星在飞过时能向地面站传送五至十分钟的光量子，这就是300至600对，这样就足以作出统计上的说明了。如果成功，物理学家就拿出了&可怕的远程作用&在1000公里以上也有效的证据。对未来的量子互联网来说，这也会表明，通过卫星这个中继站也可以在任意远的距离内替换安全密钥。学者们预计，测试以及安装卫星和设备在启动后将需要几个月的时间。但是他们认为，今年就会完成向奥地利地面站的首次传输。（编译/焦宇、赵涟）点击图片进入下一页& & & 日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星（简称&量子卫星&）发射升空。新华社记者 金立旺摄
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【延伸阅读】揭秘全球首颗量子卫星：将怎样改变生活？中新社酒泉8月16日电 （记者 梁晓辉）16日凌晨，中国成功发射全球首颗量子科学实验卫星。这颗以中国古代科学家墨子命名的&墨子号&卫星，带着探索星地量子通信的使命升空，将继续为中国和世界的前沿科技&探路&。量子通信：无条件安全的通信方式古往今来，人们对于信息加密的探索从未停止。古时候，人们在信封上滴蜡盖上火印，但仍防不住有人拆开、读完再复原。现代，人们用电磁波传递秘密，但&音量&再低，也防不住精细的窃听。现今，科学家设法将&音量&调低到如此程度：只依靠一颗颗光子，任何窃密者去测量都会破坏它，从而被发现。信息微弱到了极限&&量子级别，再小心的读取都会彻底改变它，而不可能只改变一点点。这就是量子通讯的保密原理。&量子通信是迄今唯一被严格证明为无条件安全的通信方式。量子不可分割、不可克隆，所以能保证加密内容不被破译，可以从根本上保障信息安全、保护全人类的隐私。&量子科学实验卫星工程首席科学家潘建伟表示，理论上绝对安全的通信一旦实现，政府、军队和银行，乃至全社会都将获益。改变生活：或15年后走进中国百姓家在潘建伟看来，量子通信的应用前景，就像电话的普及过程一样，将逐步进行，蔚为可观。&一开始，量子通信可能会应用于国防、金融、政务、科学研究等，之后会在大众中广泛应用。&基于个人判断，他给出了一个量子通信技术普及的&时间表&：5年左右很多机要部门开始用，10年左右金融业、银行等大机构开始使用，15年的时间或许走进千家万户。&届时，每个人的家里、手机上或许都会有一个量子加密芯片，银行转款、电子账户等的涉密操作，都不用担心被盗用或者攻击。&他并表示，这需要一个过程，依赖于量子通信网络的建设，应用成本也会逐渐下降。影响世界：多国望与中国共建&量子星座&虽然量子科学实验卫星成功发射，但从长远来看，&要实现全球化量子通信还需要长期的努力，特别是需要多颗卫星的组网&，量子科学实验卫星科学应用系统总师兼卫星系统副总师彭承志表示，&这条征途没有尽头&。也因此，中国以开放的姿态欢迎全球合作。&我们非常高兴地同意了奥地利方的请求，共同就北京到维也纳之间的洲际量子通信进行实验合作，中方并决定向全球开放载荷的相关数据&，潘建伟介绍称。他表示，德国和意大利也非常希望继奥地利后加入中国团队的实验，在探索全球量子通信组网建设、&量子星座&建设中与中方展开合作。&协议目前已经走完了相关的流程，近期就将进行签署。&&毕竟，科学也是面向全世界的，中国的量子卫星走在世界前列之后，可以引领整个学术界在这个方向开展研究，为人类贡献中国智慧&，潘建伟说。（完）（ 10:05:47）
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【延伸阅读】中国射量子卫星 外国为何无法破解中国量子密钥技术点击图片进入下一页中国在8月16日发射的全球首颗&量子实验卫星&，迈出量子通信网络建设的第一步原标题：为什么说外国无法破解中国量子密钥技术出品：科普中国制作：铁流监制：中国科学院计算机网络信息中心日前，美国网络安全技术供应商赛门铁克指出，一个名为&神行客&（Strider）的黑客小组，过去5年间对中国、俄罗斯等国展开网络间谍式攻击，该黑客小组技术手段先进，赛门铁克怀疑小组有国家背景的团队支援。那么，中国有提升本国信息安全的法宝呢？事实上，今天发射的量子通信卫星和在年底建成的量子通信干线能有效提升中国的信息安全水平&&中国在8月16日发射的全球首颗&量子实验卫星&，迈出量子通信网络建设的第一步。到今年年底，&京沪干线&项目将会完工，建成一条连接北京、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，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。更为关键的是，这条干线能够完全保障通信安全，即便国外技术手段再先进，也无法破解中国的量子密钥分配技术。量子密钥分配利用&单量子不可克隆定理&来实现密钥配送的绝对安全。&不可克隆定理&（No-Cloning Theorem）是&海森堡测不准原理&的推论，它是指量子力学中对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制的过程是不可实现的，因为复制的前提是测量，而测量一般会改变该量子的状态。图1为量子密钥分配的原理示意图，图1左图中的小黄球代表单个光子，黑色箭头代表光子的偏振方向，左边蓝色人是信息发送方，而绿色人是接收方。收发双方都手持偏振滤色片，发送方有四种不同的滤色片，分别为上下、左右偏振（第一组）、上左下右、上右下左偏振（第3组）4种滤色片，发送方把不同的滤色片遮于光子源前，就可分别得到4种不同偏振的光子，分别用来代表&0&和&1&。请注意，每个代码对应于两种不同的光子偏振状态，它们出自两组不同偏振滤色片（图1中的左下角，它和通常光通信的编码不尽相同）。接收方就只有两种偏振滤色片，上下左右开缝的&+&字式和斜交开缝的&&&字式。由于接收方无法预知到达的每个光子的偏振状态，他只能随机挑选两种偏振滤色片的一种。接收方如果使用了&+&字滤色片，上下或左右偏振的光子可以保持原量子状态顺利通过（见图中上面的第一选择，接收方用了正确的滤色片），而上左下右、上右下左偏振的光子在通过时量子状态改变，变成上下或左右偏振且状态不确定（见图1中第四选择，用了错误的滤色片）。接送方如果使用&字滤色片情况正好相反，见图1中第2选择（错误）和第3选择（正确）。点击图片进入下一页图1 量子密钥分配技术原理示意图1右图第1横排是发送方使用的不同偏振滤色片，从左至右将9个不同偏振状态的光子随时间先后逐个发送给下面绿色接收方，这些光子列于第2排。接收方随机使用&+&字或&&&字偏振滤色片将送来的光子逐一过滤，见第3排，接收到的9个光子的状态显示在第4排。这里是密钥（key）产生的关键步骤：接收方通过公开信道（电子邮件或电话）把自己使用的偏振滤色片的序列告知发送方，发送方把接收方滤色片的序列与自己使用的序列逐一对照，然后告知接收方哪几次用了正确的滤色片（图2，打勾的1，4，5，7，9）。对应于这些用了正确滤色片后接收到的光子状态的代码是：00110，接发双方对此都心知肚明、毫无疑义，这组代码就是它们两人共享的密钥。为什么第三者不可能截获这个密钥？假设窃密者在公开信道上得知了接送方使用的偏振滤色片序列，也知道了发送方的确认信息（图2，打勾的1，4，5，7，9），但是窃密者依旧无法确认密钥序列。譬如对第一列，窃密者知道接收方用的是&十&字滤色片，而且发送方确认是对的，但这可能对应于上下或左右偏振的两种不同的光子，它们分别代表&1&或&0&，除了发送和接收双方都清楚知道，窃密者是无法确认的。窃密者真要确认的话，也要在中途插入偏振滤色片来观察，但它又无法事先知道应该使用&十&还是&&&滤色片，一旦使用错误滤色片，光子状态改变，窃密的行为立即暴露。再以第一列光子为例，如果窃密者在接收端前插入&&&滤色片，光子偏振状态可能改变成上右下左的斜偏振，接收方仍使用&十&滤色片，得到左右偏振光子，经确认后此位变成&1&。结果通信双方的密钥在第一位不一致，这种出错经过奇偶校验核对非常容易发现和纠正。通常的做法是通信双方交换很长的光子序列，得到确认的密钥后分段使用奇偶校验核对，出错段被认为是技术误差或已被中间窃听，则整段予以删除，留下的序列就是绝对可靠的共享密钥。有必要指出本文仅作基本原理的介绍，工程实现中的细节不再赘述。量子密钥分配方法除了BB84协议外还有E91协议。点击图片进入下一页图2 量子密钥分配技术工程示意量子密钥分配技术中的密钥的每一位是依靠单个光子传送的，单个光子的量子行为使得窃密者企图截获并复制光子的状态而不被察觉成为不可能。而普通光通信中每个脉冲包含千千万万个光子，其中单个光子的量子行为被群体的统计行为所淹没，窃密者在海量光子流中截取一小部光子根本无法被通信两端用户所察觉，因而传送的密钥是不安全的，用不安全密钥加密后的数据资料一定也是不安全的。量子密钥分配技术的关键是产生、传送和检测具有多种偏振态的单个光子流，特种的偏振滤色片，单光子感应器和超低温环境使得这种技术成为可能。量子密钥分配光纤网络上传送的是单个光子序列，所以数据传输速度远远低于普通光纤通信网络，它不能用来传送大量的数据文件和图片，它是专门用来传送对称密码体制中的密钥，当通信双方交换并确认共享了绝对安全的密钥后，再用此密钥对大量数据加密后在不安全的高速网络上传送。&量子通信&这个词容易使人误解，到目前为止，实际上量子通信指的就是量子密钥分配技术。量子密钥分配光纤虽然是低速网络，但每秒种传送上千位的密钥没有任何问题，通信双方有确保安全的几百位长的密钥，而且分分秒秒可以随时更换密钥，通信安全就有了非常可靠的保障。量子密钥分配技术的基础是物理而不是数学。面对信息安全危机，量子密钥分配技术充当了救世主的角色，它为信息科学的进一步发展筑起了坚实的基础。（ 11:46:22）
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【延伸阅读】中国将发射世界首颗“量子卫星” 英媒:后续或部署20颗参考消息网8月5日报道 英媒称，中国科学家将发射世界首颗&量子卫星&，这有朝一日或许有助于建立一个极其安全的全球通信网络。英国《每日邮报》网站8月3日报道，这个重达1300磅（约合590千克）的航天器中，含有一块能够产生纠缠光子对的晶体，这些光子对将被发射到中国和奥地利的地面卫星接收站中，从而形成一个&密钥&。据《自然》杂志报道，该卫星计划于本月晚些时候在酒泉卫星发射中心进行发射。如果这一为期两年的研究任务的初期实验能够获得成功，那么可能很快就会再发射多颗卫星。研究人员正在努力证明粒子即使相距极远&&该研究的实验距离约为750英里（约合1200公里）&&也能保持纠缠。此前为证明量子通信所做的研究显示，这一距离最长为180英里出头。现在科学家们希望，太空中的光子传播能够将这一距离变得更长。《自然》杂志解释道，通过空气和光纤时，光子会被分散或吸收，这给脆弱的量子态的保持带来了挑战。但光子在太空中的传播却更平顺。实现此等距离的量子通信将使建立安全的全球通信网络成为可能，通信双方能够使用一个共享的密钥进行交流。在量子物理学中，纠缠粒子即使相隔极远，也会保持相互连接。因此，其中一个粒子的动作会影响另一个粒子的行为。如果某个人试图在一端窃听，那么另一端就能检测到这种通信干扰。该研究任务为期两年。在此期间，中国研究人员将进行贝尔测试，以证明在这样一种超远距离下，纠缠依然存在。此外，据英国《自然》周刊报道，中国人还将尝试&隐形传送&量子态，即在一个新位置重建某个光子的量子态。加拿大、日本、意大利和新加坡的研究人员也透露了在太空中进行量子实验的计划，包括建议在国际空间站进行的一个实验。中国的这项实验将尝试创造出一种高效可靠的量子隐形传态方法。研究人员说，实现了量子隐形传态后，便能制造出一种分辨率极高的望远镜。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学家保罗&奎亚特说：&你不仅能看到那些行星，理论上来说，还能看清木星卫星上的车辆牌照。&奎亚特参与了美国航空航天局的项目。这个中国航天器的首项任务便是将光子对发射到北京和维也纳的地面接收站中，从而形成密钥。但是，随着研究工作的进行，这颗卫星可能很快便会迎来其他卫星的加入。中国科学技术大学物理学家陆朝阳告诉《自然》周刊：&如果首颗卫星表现不错，中国肯定会发射更多。&若要创建一个连接全世界的通信网络，大约需要部署20颗卫星。点击图片进入下一页图说： 中国科学家在&量子卫星&旁工作（英国《每日邮报》网站）（ 10:11:00）
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【延伸阅读】港媒关注中国将发射量子卫星：从此免受黑客袭击参考消息网7月7日报道 港媒称，中国将于8月发射全球首颗量子卫星，展示防黑客通信和量子传输等一系列先进技术。据香港《南华早报》网站7月5日援引中央政府网站的消息称，中国科学院已完成对卫星的地面测试和相关检查。该卫星拟在7月上旬运至酒泉卫星发射中心，计划通过长征二号丁型运载火箭于8月中旬择机发射。报道称，这项发射计划得到世界各国科学家和政府关注，因为它可能为解决当前一些重大问题提供答案。近年来随着量子技术的快速发展，人们广泛认为量子计算机将很快面世，但这种计算机十分强大，可以破解当前所有加密技术。报道称，在未来的科技时代，确保通信安全的唯一方法就是使用量子网络。这种网络通过利用量子物理学的基本法则，即单个的光量子在传输信息的时候具有测量不准、不可克隆等性质，从而让电话窃听等行为无用武之地。科研人员已经建立了长度达1000公里的地面光纤量子通信网络，但这颗量子卫星的目标更加高远。它将连接中国和欧洲之间的量子通信网，以证明全球规模的量子互联网设想是可行的。据报道，如果这项技术有效，将很快应用于政府和军方网络。北京可以通过量子卫星与一艘远在太平洋某处的核潜艇安全联系，而不用担心通话信息被第三方破译。研究人员还希望了解量子纠缠态的奇异现象：在多粒子量子系统中，一对具有量子纠缠态的粒子，即使相隔极远，当其中一个状态改变时，另一个状态也会即刻发生相应改变。报道称，科学家们在地面上已在相距100公里的距离成功进行了量子纠缠试验，而量子卫星将把这个试验带到外层空间。量子纠缠技术将让信息以比光速还快的速度传输，而信息发送者和接受者之间无需任何物质媒介。这项技术还将使星际或星系间通信变得像在地球上打电话一样容易。（编译/郭骏）点击图片进入下一页在中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心内的量子模拟实验室，工作人员调试超冷原子光晶格平台的激光伺服系统（日摄）。新华社发（ 07:34:00）
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【延伸阅读】中国首个量子卫星探秘点击图片进入下一页中科院量子科学实验卫星（简称量子卫星）预计于2016年7月发射，这既是中国大陆首个、更是世界首个量子卫星，发射成功后将可以实现全球化的量子保密通信。图为5月25日，在中国科学院上海微小卫星工程中心拍摄的量子卫星的星上单机。新华社记者 才扬摄点击图片进入下一页据量子科学实验卫星首席科学家、中国科学技术大学教授、中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心主任潘建伟院士介绍，量子通信的安全性基于量子物理基本原理，单光子的不可分割性和量子态的不可复制性保证了信息的不可窃听和不可破解，从原理上确保身份认证、传输加密以及数字签名等的无条件安全，可从根本上、永久性解决信息安全问题。另外潘建伟透露，“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网工程预计于下半年交付。他说，这一工程将构建千公里级高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，建成大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范平台。结合量子卫星和京沪干线，将初步构建我国天地一体化的广域量子通信体系。图为5月25日，在中国科学院上海微小卫星工程中心，量子科学实验卫星总设计师朱振才介绍量子卫星上的量子纠缠源，这是卫星上最重要的单机之一，主要负责产生纠缠光子。新华社记者 才扬摄
点击图片进入下一页量子力学理论自20世纪初创立至今，在对其基本原理进行实验检验的过程中发展起来的量子调控技术与信息科技相结合所产生的量子信息技术——包括量子通信、量子计算、量子模拟等——已成为当前国际量子物理研究的前沿。在量子通信方面，潘建伟院士带领的团队近年在实用化光纤量子密钥分发、自由空间量子密钥分发、量子纠缠分发和量子隐形传态实验方面不断取得国际领先的突破性成果。为在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位，实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升，同时将量子力学基本问题的实验检验扩展到空间尺度，中科院空间科学先导专项将量子卫星列为首批4颗科学卫星之一，开展基于卫星平台的广域量子通信和量子力学基础原理检验。图为5月25日，在中国科学院上海微小卫星工程中心，量子科学实验卫星总设计师朱振才（左）与副总工程师周依林在量子卫星旁合影留念。新华社记者 才扬摄点击图片进入下一页量子科学实验卫星专项将研制及发射1颗量子科学实验卫星，建设以4个量子通信地面站和1个空间量子隐形传态实验站为核心的空间量子科学实验系统。图为5月25日，在量子保密通信上海总控中心内，工作人员正在工作。新华社记者 才扬摄
点击图片进入下一页卫星质量640kg，倾角97.37 ，将在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭发射至高度为500km的预定轨道。该卫星包括4个有效载荷：量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验控制与处理机，具备两套独立的有效载荷指向机构，通过姿控指向系统协同控制，可与地面上相距千公里量级的两处光学站同时建立量子光链路。卫星系统由中国科学院上海微小卫星工程中心负责、中科院上海技术物理研究所和中国科学技术大学共同研制。量子专项还将建设包括兴隆、乌鲁木齐、德令哈、丽江四个量子通信地面站以及阿里量子隐形传态实验站的科学应用系统，科学应用系统由中国科学技术大学负责、中科院国家天文台、紫金山天文台和光电技术研究所共同建设。卫星发射后，天地一体化量子科学实验系统将投入正式运行，在首席科学家的指挥下，各系统将密切配合，完成包括星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等多项科学实验任务。图为5月25日，在中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心内的量子模拟实验室，工作人员正在调试超冷原子光晶格平台的激光伺服系统。该平台可以人工操纵冷原子的量子状态，从而模拟一些难以操纵的、复杂物理系统的机制。新华社记者 才扬摄点击图片进入下一页5月25日，在中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心内的量子模拟实验室拍摄的超冷原子光晶格平台的激光伺服系统。该平台可以人工操纵冷原子的量子状态，从而模拟一些难以操纵的、复杂物理系统的机制。新华社记者 才扬摄
点击图片进入下一页5月25日，在中国科学院上海微小卫星工程中心拍摄的量子卫星总装厂房。新华社记者 才扬摄
（ 14:27:00）
(原标题：中国首颗量子卫星升空 奥媒:开发量子网络的关键一步)
本文来源：参考消息网
责任编辑：王晓易_NE0011
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