2017年6月17日星期六

中国的“墨子”卫星赋予间谍卫星新含意



中国最近发射的新型太空飞船赋予了"间谍卫星"新含义。在理论上这种利用量子科学原理的新型卫星能够提供无法被破解的保密通讯频道。
这个名为"墨子"的卫星去年8月从中国西北的戈壁滩上发射,是第一个量子通讯卫星。
这是建设新型互联网努力的一部分,这种新互联网将来比现在的互联网更加安全。
试验卫星"墨子"携带精密的光学设备,继续绕地球运行,并且向两个距离1200公里的、建立在山顶的地面站发射信号。
卫星上的光学设备的用途是向地面站发送光的粒子或光子,其中加入"密匙"传送加密信息。
在安徽合肥的这个项目的主要研究人员潘建伟说,中国已经开启了世界量子太空竞赛。

应用前景广阔

量子保密技术在很多方面应该类似于现有的加密的网络金融数据技术。
在客户和网店分享敏感信息前,双方要交换复杂的数字,以此把随后发送的信息字码打乱。信息里面还包含了能够安全破解信息的密匙。
但是数字本身的弱点是它能够被截获,在拥有足够计算能力的情况下,这些数字能够被破译。但是量子加密十分超前,因为它能够利用量子科学隐藏密匙。
量子力学的奠基人之一维尔纳·海森堡90年前就认识到这点,测量或侦测量子系统,诸如测量光的一个原子或光子,都会出现不可控制和不可预测的结果,即改变整个系统。
Artwork satellite图片版权NSSC
Image caption试验卫星"墨子"向两个距离1200公里的、建立在山顶的地面站发射信号。
量子的不确定性让进行秘密通讯的人知道他们是否受到了监视:监听者的努力会扰乱整个通讯连接。
人们在上世纪80年代最初了解到了这个概念,后来这个概念又得到进一步发展。
在典型状态下,光子是一对对被创造诞生的,像孪生量子一样,无论他们被分开多长时间,发送了多远,他们的量子特性保持不变。网店和顾客解读光子就能得到用来加密的数字密匙。在监听者侦测导致干扰的情况下,网店和顾客就得不到数字密匙和加密信息。
2008年在维也纳建立的实验室成功地使用电讯光缆穿越整个城市发送所谓的"纠缠光子"。但是即使最清晰透明的光纤,如果很长的话,相对光来说它们都是混浊的。去年中国建造了连接北京和上海的长达2000公里的光纤,其间每100公里就需要一个中继站,但这些中继站也成了未来量子黑客攻击的薄弱环节。
蔡林格(Anton Zeilinger)解释说,这也就是通过卫星进行量子通讯的原因。蔡林格在量子通讯领域进行了开创性研究,他也是维也纳网络的创立者。
他说"在地面,通过空气,通过玻璃纤维,传送超不过200公里。因此如果想远距离传送信号,就只能选择在外层空间的卫星。"
在太空真空中,因为没有原子,至少原子数量微乎其微,因此量子信号受到的干扰很少。
这就是为什么中国的"墨子"卫星测试具有重要意义的原因。这种测试已经证明了在太空建立的网络是可行的,这个结果发表在最近一期的科学杂志上。

技术的杰作

但实际操作上实现上述构想并不容易。卫星每天,或每晚,只有在不到5分钟时间里穿越中国上空的500公里距离,因为太阳强光会轻易淹没量子信号。"墨子"号卫星的精密光学设备产生至关重要的光子对,并向建在中国高山上的望远镜发射。
潘建伟在中国科技大学自己的办公室对BBC记者说,他在2003年的时候有了上述设想,当时许多人认为那是个疯狂的想法。他说,因为在实验室里做复杂的量子光纤实验当时的挑战性就很大,你怎么能在几千公里的距离作同样的试验,而且光学设备是被安装在以每秒8公里速度飞行的卫星上面?
当卫星飞越中国上空的时候,用激光束指引卫星的光学设备,让他们瞄准地面基站。不过由于云雾,尘埃和大气波动干扰,卫星上发出的大部分光子不能到达目标,每秒产生的1000多万对光子中只有一对能够成功抵达。
Vienna quantum experimental set-up图片版权SPL
Image caption潘建伟将同他从前的博士研究导师,维也纳大学的蔡林格合作进行量子通讯研究
但是这就足以完成使命,使测试获得成功。测试显示到达地面的光子保留了加密通讯所需的量子特性。
数学家阿图尔·埃克特也被中国的试验触动,他在发给BBC的电邮中说,"中国的试验是很了不起的科技成就。" 埃克特上世纪90年代在牛津大学学习量子信息的时候就建议用配对光子加密的方法。他解嘲地说:"当时我建议过这种计划,但我没有想到这个计划被提到如此的高度。"
新加坡国立大学的物理学者Alex Ling也在同一领域做研究,但他的首颗小型量子卫星在2014年发射后不久发生爆炸。他对"墨子"卫星大加赞扬:"试验毫无疑问是技术上的神来之笔。"
按照中国研究的下一步计划,潘建伟将同他从前的博士研究导师,维也纳大学的蔡林格合作。他们要通过"墨子"卫星证明,在一个国家之内能够实现的试验目标也能在这个欧亚大陆实现。
潘建伟说他的研究团队很快就去维也纳开始做实验。
与此同时蔡林格正在从事连接欧洲国家首都,维也纳和布拉迪斯拉发的量子网络建设工作,该网络被称作Qapital。该网络利用了现有在数据网络中的光纤,这些光纤成为该网络的主要基础。
他说,将来的量子互联网将包括地面的光纤网络,太空中的卫星将不同的光纤网络连接起来。他认为这个构想将来会成为现实。
目前潘建伟已经开始准备卫星布局的细节以完成上述实验。
谁需要这个技术?间谍机构的工作就是保密,他们有的是预算。但是国际间每天进行万亿计交易的金融机构也需要保护他们的珍贵资源。
虽然一些观察员对于是否有人愿意为量子互联网投资有保留,但是潘建伟和蔡林格以及其他科技人员认为一旦量子网络问世,无人能抵御其诱惑。
文章来源:BBC 

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