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【首颗科普卫星亮相】一颗有故事的卫星:全球首颗量子卫星要上天

不知量子卫星是何物?快戳进来长姿势?!

出品:科普中国

制作:SELF格致论道讲坛

监制:中国科学院计算机网络信息中心

【首颗科普卫星亮相】一颗有故事的卫星:全球首颗量子卫星要上天

新闻速递:中国首颗量子科学实验卫星将于下半年择机发射,这是世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建一个天地一体化量子保密通信与实验体系!作为中科院空间科学先导专项的第三颗科学卫星,量子科学实验卫星在2011年时已正式立项。量子卫星有何神奇之处?为什么要建设天地一体化的量子通信网络?这对我们日常生活有哪些影响?真的不会再有信息安全问题? 别急,且听下面分解。

【首颗科普卫星亮相】一颗有故事的卫星:全球首颗量子卫星要上天

---量子迷踪---

Q(Question):量子是什么东东?我要听权威版本!

A(Answer):构成世界的所有物质都是由很小的微粒组成的。然而,所有的微观粒子,包括原子、分子、光子,其实它们都是量子。所以你也可以说整个世界其实就是由量子组成的。我知道你不喜欢听概念,但是我还是要介绍:一个物理量,如果有最小的单元而不可连续的分割,就说这个物理量是量子化的,并把这最小的单元称为量子。

Q:概念好绕呀,说白了于我何关呢?

A:量子是能量的最小单位,分子、原子、光子、电子都是量子的表现形态。从某种程度上说,人类就是一个庞大量子的集合!你每一次的呼吸,都包含着上万亿量子的进出,你说跟你有关没关?

【首颗科普卫星亮相】一颗有故事的卫星:全球首颗量子卫星要上天

---量子通信简说---

Q:如此高深的科学名词,是不是离生活很远啊?我选择沉默。

A:永远别做科学白痴好嘛?量子可不是啥新鲜事物,2015年9月3号纪念抗战70周年时已运用了量子通信,量子就在我们身边~

Q:唔,量子可以通心?心有灵犀的那种?

A:是通信!(擦汗)量子通信呢,是基于量子叠加、量子纠缠理论,通过隐形传输而实现的一种信息传递方式。不过,心有灵犀确实是可以实现嗒!

【首颗科普卫星亮相】一颗有故事的卫星:全球首颗量子卫星要上天

---量子通信之番外---

Q:啊啊啊!叠加,纠缠,隐形,你是在写爱情科幻片脚本吗?

A:(认真脸)量子叠加和量子纠缠是量子世界中两个基本原理,明白它们是咋回事你就是量子领域的达人了!做个比喻吧,我们把量子比作孙悟空,孙悟空在西游记中多次使用过分身术,其实量子也有很多个分身,现在假设量子的三个分身ABC,分别去北京、上海、广州玩儿,但是只要其中一个分身被发现(学术说法叫被测量),ABC就会随机消失掉两个,可能是AB,可能是BC,可能是AC,而仅留下一个。这个就叫量子叠加原理

Q:那量子纠缠呢?我离达人就差一步了!

A:刚才量子叠加指的是一个量子的不同分身而已。量子纠缠,是指把两个量子纠缠在一起。纠缠在一起的量子像一对亲密爱人,可以共生死。啥意思?比如李雷和韩梅梅各代表一个量子,他们结婚了(纠缠在一起),李雷和他的分身在上海和北京,韩梅梅和她的分身也在上海和北京,一旦李雷的分身被测量到了,那么李雷和韩梅梅在同一地方的分身都会消失,他们俩都分别只留下了一个分身。这就是量子纠缠,它帮助科学家完成了量子的隐形传态

Q:所以就有了量子保密通信?

A:对!如果科学家想要传输一个秘密给收信人,就要给收信人两样东西,钥匙和存放着物品的箱子。收信人只有同时收到秘钥和箱子,才可以打开箱子取出里面的物品。根据量子叠加原理,秘钥就是量子的多个分身,一旦被窃听,被测量,其他分身就会随机消失,科学家就会发现,这把钥匙废掉,再寄一把,直到确保收信人拿到这把钥匙。然后呢科学家就选择普通方式寄出箱子就可以了,因为没有秘钥别人是打不开这个箱子的。这就是绝对安全的量子保密通信

Q:说了这么多,那量子卫星又有啥作用,用光纤传递量子信息就好啊,造卫星多花钱啊?

A:这是重点哦,量子的信息携带者光子在光纤中传播短距离内可以完成,超过一定的距离限度则会失去信号,但光子在大气层中却可以传递几千公里,因此就需要卫星来协助。不仅如此,它还能作为地面上两个实验站的中介,使其形成区域通信网络,海量信息穿梭如影,且无条件安全,简直不要太美好!

【首颗科普卫星亮相】一颗有故事的卫星:全球首颗量子卫星要上天

---量子通信卫星物语---

Q:那量子通信卫星的原理是什么呢?

A:量子卫星上空后,它发出一连串的单光子,由地面上的光学实验站所接收再进行解码,如果成功,就相当于完成了通信。这样也是为了实现天地之间的量子保密通信做准备,有望建成大范围的全球量子通信网络。

Q:靠这一颗卫星能完成全球保密通信网络?

A:没那么简单!如果这颗卫星能实现天地之间的量子通信,那继此之后,陆续会有其他量子卫星与他并肩作战,实现全球化广域的量子保密通信网络指日可待~

【首颗科普卫星亮相】一颗有故事的卫星:全球首颗量子卫星要上天

--- “京沪”干线---

Q:量子卫星这么腻害,我有生之年能盼到全球化那天吗?

A:咳咳,请相信我!中国预计在2030年实现量子通信的全球化,除开需要量子卫星发挥功效,还有地面上的光纤量子通信骨干网络协同完成任务。准确来说,量子科学实验卫星是起到“探路者”的作用,它的成功意味着天地在理论和实际中都能完美接洽。

Q:怎么半路又杀出个通信骨干网络,它和量子卫星有什么不同?

A:骨干网络就是光纤量子通信骨干网工程——京沪干线”项目。在北京和上海之间实现量子通信,总长2000余公里,从北京出发,经过济南、合肥再到上海,今年年底将交付使用。它好比是连接地面上的各个城市、每个信息传输点的无形大网,量子卫星就好比是一杆将这张网射向太空的“标枪”。卫星在天上,骨干网络在地上,天地配合才能实现全球化通信啊~

【首颗科普卫星亮相】一颗有故事的卫星:全球首颗量子卫星要上天

---量子通信特点---

Q:现有的通信渠道已经足够使用,这厮是来分一杯羹?

A:哦,忘了告诉你,量子通信最大最大的好处就是绝对安全!绝对!你没听错哦!传统的通信方式无非是在传输介质和加密数据上下功夫,但黑客攻击和网络窃听依旧此消彼涨,而量子通信则完美击破此壁垒。你难道不想体验一下被安全感满满包围的感觉?

Q:别忽悠,绝对这种微商电商惯用的字眼简直像欺骗,你不解释清楚别走。

A:知道吗?传统的数字计算加密方法都是可以破译的,只是时间长短。量子保密通信就好比要给接受者钥匙和保险箱,他拿到保险箱之后我们再利用量子态来传递秘钥,一旦被截获,量子的状态会改变,变成无意义的信息,而接受者也能立马察觉,直到一把新的钥匙安全无误地被接收。


【首颗科普卫星亮相】一颗有故事的卫星:全球首颗量子卫星要上天

---量子通信畅想---

Q:听起来好棒,那到底有没有更实际一点点的利益呢?

A:支付宝、网银不怕盗号!类似斯诺登这种泄密事件不会再有!任何不安全的通信都狗带!

Q:但我想去外太空,有没有办法帮帮我?

A:这都不是事儿!现在潘大大(好吧,潘建伟院士)正在进行粒子传输项目的研究,有可能几年或几十年后,“瞬间移动”和“星际穿越”都将变为生活的日常。不过届时,科幻片导演估计得在家里蹲了……

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