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26eed76c0d59ce42c6413c4e7050592b 今天下午,中國研製的「墨子號」衛星,成功發射升空並進入預定軌道。「墨子號」是一顆量子衛星,也是世界上第一顆量子衛星。我們聽說過氣象衛星、天文衛星、通訊衛星、導航衛星,軍事用途衛星甚至搭載武器的「殺手」衛星——恐怕大多數人都沒聽說過「量子衛星」是什麼?

 

量子衛星是什麼?能做什麼?怎麼做?

墨子號應該可以算作通訊衛星當中的一種。只是,和傳統的通訊衛星直接傳遞訊息不同,墨子號的工作不是傳遞訊息本身,而是分配「密鑰」——解碼加密訊息的「鑰匙」。

這把密鑰的加密性能,比歷史上人類使用過的所有密碼本、圖靈造電腦想要破譯的 Enigma 密碼、Touch-ID, 「兩步驗證」甚至 PGP 系統還要高,可以說不在一個等級上。

以往的密碼/密鑰,要不是固定的,要就是非固定但按照一定的邏輯變化,從而有跡可循,讓人們可以使用電腦技術或透過社會工程學來破譯。量子密碼的安全性則是提升到了前所未有的新高度,幾乎無法破解。

它利用了量子科學的基本原理:

兩顆糾纏的光子被拆散之後,無論相距多遠總會心靈感應,一個形態發生變化,另一個會像鏡子一樣同步變化。

光子組成了密鑰,墨子號就是向地面發射光子的衛星——一顆量子密鑰分發衛星。

舉個例子,打仗,A 地長官向 B 地前線部隊發送軍令。墨子號可以將許多組每組兩顆糾纏態光子拆開,發射給 A 和 B 兩地。當 A 地「觀測」這些光子,就像用手去觸摸了它們一樣,會讓這些光子發生形態變化。同時,發射到 B 地的光子也會產生一模一樣變化。把這些光子的形態,按照固定順序記錄下來,就變成了一組密鑰。A 地按照這個密鑰加密發送的訊息,B 地手裡已經拿到瞭解碼的密鑰,能夠順利解密訊息。

怎麼保證訊息不被第三方破譯呢?需要用到量子科學的兩條基本特性:「量子態不可複製」原理,和「海格堡測不準」原理。

不可複製:世界上就算有長相一模一樣的人,也絕對沒有第三顆一模一樣的光子。只有 A 和 B 知道目標光子的狀態,世界上也沒有能夠完美複製目標光子狀態的機器。不完美複製倒是可以的——然而並沒有什麼用,因為復原出來的密鑰早已千差萬別。

測不準:A 摸了光子,改變了光子的狀態並記錄下來。誰要是再摸,有可能狀態又變了。理論上,如果第三方想要截取密鑰,必須先截獲光子,再去觀測它,結果光子就變化了。結果 B 要不是沒收到光子,要就是收到光子摸完去跟 A 校驗,發現怎麼不一樣啊,就明白被監聽了。而且就算知道被監聽也沒關係,因為兩邊一對發現密鑰失守,可以請墨子號再發一個新密鑰, 確認沒問題再傳遞訊息。

就算有人能一直截獲光子,充其量也是掌握了保險箱的鑰匙而已——箱子裡可以什麼東西都沒有嘛。

上面是對太空量子加密通訊的一個非常粗淺的解釋,在專業人士看來不一定完全準確,但應該足夠讓你明白墨子號是幹什麼,怎麼做的。

但這一切仍是個理論可行,還未在真實世界裡驗證過的尖端設想。

墨子號的意義

陸地上的量子通訊,倒是已經得到了驗證。

光纖並非一種良好的光子傳播介質。實驗室裡最好的光纖能承載帶寬高達數十 Tbps 的光信號,也能讓你在家裡用 4k 清晰度觀看幾秒前里約奧運賽場上的畫面,卻無法在量子通訊的範疇裡完好無損地傳播一個光子。效果已經買過了量子加密最低的門檻,但還不夠好——你可以理解為,就算導電性能最好的導體,本身也還是有電阻。

事實上,光纖不完美,地面空氣也不完美。這讓追求完美的量子科學家們很是苦惱:視野必須轉向太空!

奧地利量子科學家,維也納大學教授安東·蔡林格(Anton Zeilinger),在量子科學領域早在 2001 年跟歐洲太空總署(ESA)提出要搞量子衛星,遺憾的是經費一直批下不來。

後來中國提出並確定了量子衛星計劃,蔡林格博士現在也在「墨子號」的計畫裡頭工作。最近 ESA 回過神來,決定把自己不輸給中國的技術利用起來,也想要發射一顆量子衛星發到太空裡。

墨子號是科學家的第一次機會,能夠去驗證前面說的那一大段複雜而又酷炫的技術,究竟只是說說,還是真的能用。更別提衛星發上去了,機器能不能正常運轉仍有待「觀測」——當然,科學家負責最壞的打算,我們負責最好的期待。

 

如果太空量子通信真的實現了,能用它做什麼?

在最近的未來,如果量子加密通信能夠為我們所用,可以用它來更安全地發送訊息。只有訊息的兩端知道訊息的內容,伺服器端無法獲知也無法保存內容,Telegram、PGP 之類的加密工具也許就可以退休了。

進一萬步,如果能直接將光子作為訊息本身的傳遞工具,訊息也就沒有「傳遞」一說了,而是是跨越時、空,直接呈現出來,真正的 real time。

量子通信就是這樣的酷炫,但其根本原理仍超過人類認知能力和理解範圍。兩個糾纏的光子憑什麼總能保持相同的狀態?一個變了另一個又是怎樣知道的?如果人類能夠在實現量子加密、量子訊息通訊的同時或之後,得到這些問題的答案,距離宇宙終極原理就又近了一步。

不到那時,誰又知道它對人類來說,真正意味著什麼呢?

 

北京時間 8 月 16 日下午 1 時 40 分,中國科學院國家空間科學中心研製的「墨子號」衛星,在中國的酒泉衛星發射中心成功發射升空並進入預定軌道。「墨子號」是一顆量子衛星,也是世界上第一顆量子衛星。

我們聽說過氣象衛星、天文衛星、通訊衛星、導航衛星,軍事用途衛星甚至搭載武器的「殺手」衛星——恐怕大多數人都沒聽說過「量子衛星」是個什麼玩意兒……


 

量子衛星是什麼?能做什麼?怎麼做?

 

墨子號應該可以算作通訊衛星當中的一種。只是,和傳統的通訊衛星直接傳遞訊息不同,墨子號的工作不是傳遞訊息本身,而是分配「密鑰」——解碼加密訊息的「鑰匙」。

這把密鑰的加密性能,比歷史上人類使用過的所有密碼本、阿蘭·圖靈造電腦想要破譯的 Enigma 密碼、Touch-ID, 「兩步驗證」甚至 PGP 系統還要高,可以說不在一個級別上。

以往的密碼/密鑰,要麼是固定的,要麼非固定但按照一定的邏輯變化,從而有跡可循,讓人們可以使用電腦技術或透過社會工程學來破譯。量子密碼的安全型提到了前所未有的新高度,幾乎無法破解。

它利用了量子科學無比浪漫的基本原理:

兩顆糾纏的光子被拆散之後,無論相距多遠總會心靈感應,一個形態發生變化,另一個會像鏡子一樣同步變化。

光子組成了密鑰,墨子號就是向地面發射光子的衛星——一顆量子密鑰分發衛星。

墨子号随长征-2D 运载火箭升空。卫星将进入 500 千米太阳同步轨道

墨子號隨長征-2D 運載火箭升空,衛星將進入 500 千米太陽同步軌道。

舉個例子,打仗,A 地長官向 B 地前線部隊發送軍令。墨子號可以將許多組每組兩顆糾纏態光子拆開,發射給 A 和 B 兩地。當 A 地「觀測」這些光子,就像用手去觸摸了它們一樣,會讓這些光子發生形態變化。同時,發射到 B 地的光子也會產生一模一樣變化。把這些光子的形態,按照固定順序記錄下來,就變成了一組密鑰。A 地按照這個密鑰加密發送的訊息,B 地手裡已經拿到瞭解碼的密鑰,能夠順利解密訊息。

怎麼保證訊息不被第三方破譯呢?需要用到量子科學的兩條基本特性:「量子態不可克隆」原理,和「海格堡測不準」原理。

不可克隆:世界上就算有長相一模一樣的人,也絕對沒有第三顆一模一樣的光子。只有 A 和 B 知曉目標光子的狀態,世界上也沒有能夠完美克隆目標光子狀態的機器。不完美克隆是可以的——然而並沒有什麼用,因為復原出來的密鑰早已千差萬別。

測不準:A 摸了光子,改變了光子的狀態並記錄下來。誰要是再摸,有很大可能狀態又變了。理論上,如果第三方想要截取密鑰,必須先截獲光子,再去觀測它,結果光子就變 化了。結果 B 要麼沒收到光子,要麼收到光子摸完去跟 A 校驗,發現怎麼不一樣啊,就明白了,咱們被人監聽了。這其實沒關係,兩邊一對發現密鑰失守,這條軍令大不了咱們不發了,請墨子號給咱們再發一個新密鑰吧, 確認沒問題再傳遞訊息。

就算有人能一直截獲光子,充其量也是掌握了保險箱的鑰匙而已——箱子裡可以什麼東西都沒有嘛。

上面是對太空量子加密通訊的一個非常粗淺的解釋,在專業人士看來不一定完全準確,但應該足夠讓你明白墨子號是干什麼,怎麼幹的。

但這一切仍是個理論可行,還未在真實世界裡驗證過的尖端設想。

墨子號的意義

 

陸地上的量子通訊,倒是已經得到了驗證。

包括中國和美國在內的一些國家,早就建立了陸基的量子通訊線路,也就是發射、傳輸和接收全都在陸地上,透過光纖傳輸。在中國,「京滬保密線」(北京 -濟南-合肥-上海量子通訊幹線)已經落成,使用了中國量子科學泰斗人物,中科大潘建偉教授研發的中繼器,能夠順利將光子傳送數百公里的距離。

潘建伟教授

潘建偉教授

然而,光纖並非一種良好的光子傳播介質。實驗室裡最好的光纖能承載帶寬高達數十 Tbps 的光信號,也能讓你在中國的家裡用 4k 清晰度觀看幾秒前里約奧運賽場上的畫面,卻無法在量子通訊的範疇裡完好無損地傳播一個光子。效果已經買過了量子加密最低的門檻,但還不夠好——你可以理解 為,就算導電性能最好的導體也會自帶電阻。

事實上,光纖不完美,地面空氣也不完美。這讓不完美不成活的量子科學家們很是苦惱:視野必須轉向太空!

奧地利量子科學家,維也納大學教授安東·蔡林格(Anton Zeilinger),在量子科學領域比潘建偉教授資歷更高,也是潘的導師。他早在 2001 年跟歐洲航天局(ESA)提出要搞量子衛星,遺憾的是經費一直批下不來。

後來中國方面提出並確定了量子衛星計劃,蔡林格博士現在同潘建偉教授一起在「墨子號」項目組工作。

最近 ESA 轉過神來,決定把自己不輸給中國的技術利用起來,也搞一顆量子衛星發到太空裡。知乎用戶「宋祁朋」介紹,在前面提到的量子通訊具體實現技術上,中歐(主要是法國)之間是兩種不同技術並行發展。很難說誰更厲害,但合作起來肯定是棒棒的。

墨子號是科學家的第一次機會,能夠去驗證前面說的那一大段複雜而又酷炫的技術,究竟只是說說,還是真的能用。更別提衛星發上去了,機器能不能正常運轉仍有待「觀測」——當然,科學家負責最壞的打算,我們負責最好的期待。

如果太空量子通信真的實現了,我們能用它做些什麼?

 

在最近的未來,如果量子加密通信能夠為我們所用,可以用它來更安全地發送訊息。只有訊息的兩端知道訊息的內容,服務器端無法獲知也無法保存內容,Telegram、PGP 之類的也許可以下崗了。

進一萬步,如果能直接將光子作為訊息本身的傳遞工具,訊息也就沒有「傳遞」一說了,而是是跨越時、空,直接呈現出來,真正的 real time~(還記得《三體》裡的「智子」麼?)

量子通信就是這樣的酷炫,但其根本原理仍超過人類認知能力和理解範圍。兩個糾纏的光子憑什麼總能保持相同的狀態?一個變了另一個又是怎樣知道的?如果人類能夠在實現量子加密、量子訊息通訊的同時或之後,得到這些問題的答案,距離宇宙終極原理就又近了一步。

不到那時,誰又知道它對人類來說,真正意味著什麼呢?

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