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[4171] 2017-08-14_“墨子号”提前实现科学目标量子技术突破天空限制

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-16
2017-08-14_“墨子号”提前实现科学目标量子技术突破天空限制 “ 墨 子 号 ” 提 前 实 现 科 学 目 标   量 子 技 术 突 破 天 空 限 制 中 国 青 年 报   E 安 全   2 0 1 7 - 0 8 - 1 4 关 注 E 安 全   关 注 网 络 安 全 一 手 资 讯 还 有 6 天 ， 距 离 全 球 第 一 颗 量 子 科 学 实 验 卫 星 “ 墨 子 号 ” 发 射 升 空 就 要 满 一 整 年 了 。 8 月 1 0 日 ， 这 颗 卫 星 的 首 席 科 学 家 、 中 国 科 学 技 术 大 学 潘 建 伟 院 士 领 导 的 中 科 院 联 合 研 究 团 队 向 外 界 又 公 布 了 一 项 重 大 成 果 — — “ 墨 子 号 ” 在 国 际 上 第 一 次 成 功 实 现 了 “ 千 公 里 级 ” 的 星 地 双 向 量 子 通 信 。 星 地 量 子 密 钥 分 发 实 验 ， 2 0 1 7 年 5 月 拍 摄 于 乌 鲁 木 齐 南 山 。 多 张 照 片 合 成 了 卫 星 过 境 的 全 貌 ， 背 景 是 恒 星 的 星 轨 。 中 科 院 供 图
地 星 量 子 隐 形 传 态 实 验 ， 2 0 1 7 年 4 月 拍 摄 于 西 藏 阿 里 。 中 科 院 供 图 《 自 然 》 杂 志 的 物 理 科 学 主 编 卡 尔 · 齐 姆 勒 斯 感 慨 “ 这 是 十 分 令 人 激 动 的 消 息 （ v e r y   e x c i t i n g   s t u f f ） ” ， 并 给 出 评 价 ： “ 以 前 人 们 会 说 量 子 技 术 的 极 限 在 天 边 ， 但 这 说 法 其 实 有 些 保 守 了 。 ” 潘 建 伟 团 队 这 些 实 验 中 ， 量 子 技 术 就 已 经 突 破 “ 天 空 的 限 制 （ g o n e   b e y o n d   t h e   s k y ） ” ， 并 将 应 用 型 量 子 通 信 技 术 方 面 的 研 究 提 升 到 如 此 的 “ 天 文 高 度 （ a s t r o n o m i c a l   h e i g h t ） ” 。 一 个 多 月 前 ， 潘 建 伟 团 队 在 国 际 上 率 先 实 现 “ 千 公 里 级 ” 的 星 地 双 向 量 子 纠 缠 分 发 ， 并 将 成 果 发 表 在 6 月 1 6 日 的 《 科 学 》 杂 志 上 ， 完 成 了 “ 墨 子 号 ” 一 项 科 学 任 务 即 “ 星 地 双 向 量 子 纠 缠 分 发 ” ； 如 今 则 将 另 外 两 项 任 务 一 并 完 成 ： 高 速 星 地 量 子 密 钥 分 发 和 地 星 量 子 隐 形 传 态 ， 相 关 成 果 已 在 线 发 表 在 8 月 1 0 日 的 《 自 然 》 杂 志 上 。 至 此 ， 属 于 中 国 的 “ 墨 子 号 ” 量 子 卫 星 ， 已 提 前 完 成 预 先 设 定 的 三 大 科 学 目 标 。 在 8 月 4 日 的 媒 体 见 面 会 上 ， 中 国 科 学 院 院 长 白 春 礼 对 中 国 青 年 报 · 中 青 在 线 等 媒 体 表 示 ， “ （ ‘ 墨 子 号 ’ 量 子 卫 星 ） 系 列 成 果 赢 得 了 巨 大 国 际 声 誉 ， 标 志 着 我 国 量 子 通 信 领 域 的 研 究 在 国 际 上 达 到 ‘ 全 面 领 先 ’ 的 优 势 地 位 。 ” 关 乎 “ 无 条 件 安 全 通 信 方 式 ” 的 实 验 ： 投 稿 最 早 ， 发 表 最 晚 千 百 年 来 ， 人 们 对 于 通 信 安 全 的 追 求 从 未 停 止 。 然 而 ， 基 于 计 算 复 杂 性 的 传 统 加 密 技 术 ， 在 原 理 上 存 在 着 被 破 译 的 可 能 性 。 随 着 数 学 和 计 算 能 力 的 不 断 提 升 ， 经 典 密 码 被 破 译 的 可 能 性 与 日 俱 增 — — 1 9 9 9 年 ， 传 统 加 密 算 法 R S A 5 1 2 被 破 解 ； 2 0 0 9 年 ， R S A 7 6 8 被 破 解 ； “ 尚 未 被 破 解 ” 的 R S A 1 0 2 4 ， 也 被 认 为 “ 被 破 解 是 早 晚 的 事 ” 。 至 于 所 谓 下 一 代 标 准 密 码 “ 配 对 密 码 ” ， 则 在 2 0 1 2 年 就 已 经 被 破 解 。 2 0 1 7 年 2 月 ， 谷 歌 破 解 了 广 泛 应 用 于 文 件 数 字 证 书 中 的 S H A - 1 算 法 。 以 至 于 有 人 说 ， “ 人 们 怀 疑 ， 以 人 类 的 才 智 无 法 构 造 人 类 自 身 不 可 破 解 的 密 码 ” 。
然 而 ， 量 子 力 学 1 0 0 多 年 的 发 展 ， 却 给 人 类 带 来 另 一 种 可 能 。 潘 建 伟 说 ， 与 经 典 通 信 不 同 ， 量 子 密 钥 分 发 通 过 量 子 态 的 传 输 ， 在 遥 远 两 地 的 用 户 ， 可 共 享 无 条 件 安 全 的 密 钥 ， 利 用 该 密 钥 对 信 息 进 行 一 次 一 密 的 严 格 加 密 — — 这 是 目 前 人 类 唯 一 已 知 的 不 可 窃 听 、 不 可 破 译 的 无 条 件 安 全 的 通 信 方 式 。 这 其 中 一 个 重 要 的 研 究 内 容 ， 就 是 量 子 密 钥 分 发 。 按 照 潘 建 伟 的 说 法 ， 这 个 名 为 “ 量 子 密 钥 分 发 ” 的 实 验 ， 关 乎 量 子 保 密 通 信 网 络 的 “ 可 行 性 ” ， 关 乎 所 谓 “ 绝 对 通 信 安 全 ” 的 未 来 ， 因 此 其 结 果 包 括 其 过 程 中 的 一 些 数 据 ， 都 备 受 科 学 家 关 注 。 在 接 受 中 国 青 年 报 · 中 青 在 线 等 媒 体 采 访 时 ， 潘 建 伟 透 露 ， “ 量 子 密 钥 分 发 ” 这 个 成 果 的 投 稿 时 间 ， 要 比 “ 星 地 双 向 量 子 纠 缠 分 发 ” 这 个 成 果 早 两 周 左 右 ， 但 最 终 发 表 的 时 间 ， 却 晚 了 将 近 两 个 月 — — 后 者 是 6 月 1 6 日 ， 前 者 是 8 月 1 0 日 。 “ 大 家 对 这 个 实 验 太 关 注 了 ， 《 自 然 》 杂 志 不 断 要 求 我 们 提 供 相 关 实 验 细 节 和 数 据 ， 来 让 其 他 同 行 将 来 能 够 重 复 、 验 证 我 们 的 实 验 结 果 ， 我 们 只 好 不 断 地 往 外 ‘ 掏 ’ 实 验 数 据 。 ” 潘 建 伟 说 。 千 公 里 级 密 钥 分 发 ： 通 信 速 率 比 传 统 技 术 提 升 万 亿 亿 倍 不 过 ， 文 章 最 终 通 过 了 《 自 然 》 杂 志 审 稿 人 的 “ 把 关 ” ， 并 得 以 发 表 。 《 自 然 》 杂 志 的 审 稿 人 称 赞 星 地 量 子 密 钥 分 发 成 果 是   “ 令 人 钦 佩 的 成 就 （ i m p r e s s i v e   a c h i e v e m e n t ） ” 和 “ 本 领 域 的 一 个 里 程 碑 （ i t   c o n s t i t u t e s   a   m i l e s t o n e   i n   t h e   f i e l d ） ” ， 并 称 “ 毫 无 疑 问 将 引 来 量 子 信 息 、 空 间 科 学 等 领 域 的 科 学 家 和 普 通 大 众 的 高 度 兴 趣 ， 并 导 致 公 众 媒 体 极 为 广 泛 的 报 道 ” 。 所 谓 密 钥 分 发 实 验 ， 要 以 量 子 力 学 一 些 “ 原 理 ” 的 成 立 为 前 提 。 比 如 ， “ 量 子 不 可 克 隆 定 理 、 量 子 不 可 分 割 ” ， 使 得 “ 存 在 窃 听 必 然 被 发 现 ” ， 而 量 子 的 “ 一 次 一 密 ， 完 全 随 机 ” ， 又 让 “ 加 密 内 容 不 可 破 译 ” 成 为 现 实 。 卡 尔 · 齐 姆 勒 斯 也 提 到 ， 量 子 密 钥 是 保 障 通 信 极 高 保 密 性 的 关 键 。 他 说 ： “ 在 没 有 密 钥 的 情 况 下 ， 是 无 法 读 到 这 些 通 信 的 ， 如 果 有 他 人 窃 听 了 你 的 密 钥 ， 量 子 力 学 的 原 理 保 证 了 你 一 定 会 知 道 ， 从 而 你 通 信 的 安 全 性 又 上 了 一 层 楼 。 ” 如 今 ， 这 种 量 子 密 钥 分 发 的 设 想 ， 在 更 远 的 距 离 即 千 公 里 级 完 成 了 实 验 。 具 体 来 看 ， 量 子 密 钥 分 发 实 验 采 用 卫 星 发 射 量 子 信 号 ， 地 面 接 收 的 方 式 ， “ 墨 子 号 ” 量 子 卫 星 过 境 时 ， 与 河 北 兴 隆 地 面 光 学 站 建 立 光 链 路 ， 通 信 距 离 从 6 4 5 公 里 到 1 2 0 0 公 里 。 根 据 “ 墨 子 号 ” 实 验 结 果 ， 在 1 2 0 0 公 里 通 信 距 离 上 ， 卫 星 上 量 子 诱 骗 态 光 源 平 均 每 秒 发 送 4 0 0 0 万 个 信 号 光 子 ， 一 次 过 轨 对 接 实 验 可 生 成 3 0 0 k b i t 的 安 全 密 钥 ， 平 均 成 码 率 可 达 1 . 1 k b p s 。 这 些 数 据 背 后 有 一 个 对 比 结 果 ， 即 “ 星 地 量 子 密 钥 ” 的 传 输 效 率 ， 比 传 统 的 技 术 — — 也 就 是 同 等 距 离 地 面 光 纤 信 道 ， 要 高 出 2 0 个 数 量 级 ， 即 提 升 万 亿 亿 倍 。 潘 建 伟 说 ， 这 就 为 构 建 覆 盖 全 球 的 量 子 保 密 通 信 网 络 奠 定 了 可 靠 的 技 术 基 础 。 未 来 ， 他 希 望 以 星 地 量 子 密 钥 分 发 为 基 础 ， 将 卫 星 作 为 可 信 中 继 ， 可 以 实 现 地 球 上 任 意 两 点 的 密 钥 共 享 ， 将 量 子 密 钥 分 发 范 围 扩 展 到 覆 盖 全 球 。 正 如 量 子 卫 星 科 学 应 用 系 统 总 师 、 中 国 科 学 技 术 大 学 教 授 彭 承 志 所 说 ， 下 一 步 他 们 要 在 提 升 卫 星 的 覆 盖 范 围 上 攻 关 ， 通 过 高 轨 卫 星 或 者 “ 量
子 星 座 ” 网 络 的 方 式 ， 最 终 能 够 实 现 全 天 时 的 量 子 通 信 网 络 。 “ 领 跑 者 ” 来 了 ： 中 国 开 启 全 球 化 量 子 通 信 大 门 在 媒 体 见 面 会 上 ， 白 春 礼 说 ， 宣 布 量 子 卫 星 全 部 既 定 科 学 目 标 均 已 提 前 完 成 ， 就 意 味 着 “ 为 （ 量 子 科 学 卫 星 ） 项 目 本 身 画 上 了 一 个 圆 满 的 句 号 ” 。 不 过 ， 这 并 不 是 说 中 国 量 子 科 技 之 路 就 此 打 住 ， 而 更 意 味 着 一 个 新 的 开 始 。 白 春 礼 说 ， 与 此 同 时 “ 墨 子 号 ” 也 开 启 了 全 球 化 量 子 通 信 、 空 间 量 子 物 理 学 和 量 子 引 力 实 验 检 验 的 大 门 ， 为 我 国 在 国 际 上 抢 占 了 量 子 科 技 创 新 制 高 点 ， 成 为 国 际 同 行 的 标 杆 ， 实 现 了 成 为 “ 领 跑 者 ” 的 转 变 。 潘 建 伟 也 提 到 ， 在 完 成 既 定 科 学 任 务 后 ， “ 墨 子 号 ” 也 制 订 了 后 续 拓 展 实 验 计 划 ， 包 括 基 于 纠 缠 的 量 子 密 钥 、 全 天 时 量 子 通 信 等 ， 已 经 在 紧 张 、 顺 利 地 进 行 。 预 计 在 卫 星 设 计 寿 命 期 内 ， 还 将 有 更 多 的 科 学 成 果 陆 续 发 布 。 《 自 然 》 杂 志 8 月 1 0 日 发 表 的 另 一 篇 潘 建 伟 团 队 文 章 ， 则 是 关 于 量 子 隐 形 传 态 ， 它 利 用 量 子 纠 缠 ， 可 以 将 物 质 的 未 知 量 子 态 ， 精 确 传 送 到 遥 远 地 点 ， 而 物 体 本 身 却 不 需 要 移 动 。 在 卡 尔 · 齐 姆 勒 斯 看 来 ， 这 是 量 子 力 学 中 “ 最 著 名 却 神 秘 莫 测 ” 的 方 面 。 他 说 ， 在 这 个 实 验 中 ， 潘 建 伟 团 队 展 示 了 如 何 用 处 于 纠 缠 态 的 光 子 ， 来 实 现 这 一 点 。 具 体 来 看 ， “ 墨 子 号 ” 量 子 卫 星 过 境 时 ， 与 海 拔 5 1 0 0 米 的 西 藏 阿 里 地 面 站 建 立 光 链 路 。 地 面 光 源 每 秒 产 生 8 0 0 0 个 “ 量 子 隐 形 传 态 事 例 ” ， 地 面 向 卫 星 发 射 纠 缠 光 子 ， 实 验 通 信 距 离 从 5 0 0 公 里 到 1 4 0 0 公 里 ， 所 有 6 个 待 传 送 态 ， 均 以 大 于 9 9 . 7 % 的 置 信 度 超 越 经 典 极 限 。 按 照 潘 建 伟 的 说 法 ， 假 设 在 同 样 长 度 的 光 纤 中 重 复 这 一 工 作 ， 需 要 3 8 0 0 亿 年 — — 也 就 是 宇 宙 年 龄 的 2 0 倍 ， 才 能 观 测 到 1 个 事 例 。 《 自 然 》 杂 志 审 稿 人 称 ， “ 这 些 结 果 代 表 了 远 距 离 量 子 通 信 持 续 探 索 中 的 重 大 突 破 ” ，   “ 这 个 目 标 非 常 新 颖 并 极 具 挑 战 性 ， 它 代 表 了 量 子 通 信 方 案 现 实 实 现 中 的 重 大 进 步 ” 。 向 “ 重 技 术 轻 科 学 ” 开 刀 ： 更 多 科 学 卫 星 成 果 将 陆 续 发 布 值 得 一 提 的 是 ， 除 了 “ 墨 子 号 ” 量 子 卫 星 外 ， 中 科 院 在 “ 十 二 五 ” 启 动 实 施 的 空 间 科 学 战 略 性 先 导 专 项 中 其 他 三 颗 卫 星 均 已 成 功 发 射 。 按 照 白 春 礼 的 说 法 ， “ 悟 空 号 ” 暗 物 质 粒 子 探 测 卫 星 、 实 践 十 号 返 回 式 科 学 实 验 卫 星 、 “ 慧 眼 号 ” 硬 X 射 线 调 制 望 远 镜 卫 星 也 都 已 经 获 得 大 量 科 学 数 据 ， 相 关 科 学 成 果 将 陆 续 发 布 。 多 年 来 ， 作 为 一 个 航 天 大 国 ， 我 们 在 空 间 技 术 以 及 空 间 应 用 方 面 做 出 了 让 世 人 瞩 目 的 成 绩 ， 但 在 中 国 科 学 院 国 家 空 间 科 学 中 心 主 任 、 空 间 科 学 先 导 专 项 科 学 卫 星 工 程 常 务 副 总 指 挥 吴 季 看 来 ， 从 航 天 大 国 转 变 成 一 个 航 天 强 国 的 时 候 ， 空 间 科 学 领 域 是 我 们 的 一 个 短 板 ， “ 如 果 要 弥 补 这 一 短 板 ， 必 须 转 变 重 技 术 、 轻 科 学 的 做 法 ” 。 据 吴 季 透 露 ， 面 向 “ 十 三 五 ” “ 十 四 五 ” ， 中 科 院 方 面 已 经 部 署 了 多 个 科 学 卫 星 计 划 ， 这 些 计 划 聚 焦 当 前 国 际 重 大 基 础 科 学 前 沿 ， 包 括 宇 宙 的 起 源 、 黑 洞 、 引 力 波 、 系 外 行 星 探 测 、 太 阳 系 资 源 勘 探 、 太 阳 爆 发 机 理 、 地 球 空 间 暴 及 其 粒 子 逃 逸 、 水 循 环 和 全 球 变 化 的 关 系 等 。 这 其 中 ， 中 科 院 与 欧 洲 航 天 局 联 合 支 持 的 太 阳 风 - 磁 层 相 互 作 用 全 景 成 像 卫 星 （ S M I L E ） 已 经 立 项 实 施 ， 爱 因 斯 坦 探 针 卫 星 （ E P ） 、 先 进 天 基 太 阳 天 文 台 卫 星 （ A S O - S ） 已 经 启 动 立 项 综 合 论 证 。 吴 季 说 ， 希 望 通 过 这 些 项 目 的 实 施 ， 力 争 使 我 国 在 基 础 科 学 研 究 领 域 实 现 更 多 的 重 大
突 破 。 在 6 月 1 6 日 ， 中 国 率 先 实 现 “ 千 公 里 级 ” 星 地 双 向 量 子 纠 缠 分 发 时 ， 潘 建 伟 就 提 到 ， 没 做 成 （ 这 项 实 验 ） 时 ， 外 界 有 很 多 怀 疑 ， 如 今 花 费 这 么 多 时 间 做 成 了 ， 国 际 上 都 纷 纷 表 示 要 “ 尽 可 能 赶 上 ” 。 正 如 一 位 美 国 同 行 所 说 ， 虽 然 第 一 艘 宇 航 飞 船 和 第 一 个 人 造 卫 星 都 是 苏 联 做 出 来 的 ， 但 登 月 ， 美 国 却 是 第 一 个 。 他 们 觉 得 只 要 努 力 ， 就 可 以 在 量 子 领 域 赶 超 中 国 。 潘 建 伟 说 ， “ 所 以 ， 我 们 不 敢 懈 怠 ” 。 如 今 ， 在 “ 墨 子 号 ” 量 子 卫 星 预 定 科 学 任 务 全 部 完 成 之 时 ， 白 春 礼 又 说 了 同 样 意 思 的 一 番 话 ： “ 创 新 永 无 止 境 ， 也 容 不 得 半 点 懈 怠 ， 不 进 则 退 、 慢 进 也 是 退 。 ” 他 说 ， 目 前 ， 我 们 在 量 子 通 信 研 究 领 域 保 持 着 领 跑 优 势 ， 但 竞 争 日 趋 激 烈 。 美 国 已 经 发 布 了 新 的 量 子 科 研 计 划 ， 欧 盟 、 日 本 也 在 加 紧 研 究 ， 在 新 一 轮 的 科 研 比 拼 中 ， 我 们 面 临 的 形 势 之 严 峻 和 压 力 之 大 ， 都 将 超 过 以 往 。 1 4 E 安 全 推 荐 文 章 安 全 推 荐 文 章 官 网 ： 官 网 ： w w w . e a s y a q . c o m 2 0 1 7 年 年 8 月 月   0 1 网 络 安 全 受 量 子 计 算 影 响 还 远 吗 ？ 未 来 将 面 临 这 些 威 胁 0 2 美 国 I A R P A 启 动 “ Q E O ” 计 划 ， 开 发 量 子 增 强 型 计 算 机 0 3 美 国 众 议 院 科 学 、 空 间 与 技 术 委 员 会 通 过 N I S T 《 网 络 安 全 框 架 》 法 案 0 4 专 门 针 对 科 学 家 工 程 师 的 僵 尸 网 络 0 5 俄 罗 斯 已 具 备 劫 持 卫 星 发 起 网 络 攻 击 的 能 力 0 6 国 防 科 大 威 武 ！ 发 现 卫 星 电 话 加 密 算 法 G M R - 2 重 大 漏 洞 0 7 2 5 岁 黑 客 入 侵 美 国 军 事 卫 星 通 信 系 统 阅 读 原 文
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