“墨子號(hào)”世界首顆量子衛(wèi)星，到底是干什么的？

北京時(shí)間 8 月 16 日下午 1 時(shí) 40 分，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研制的“墨子號(hào)”衛(wèi)星，在中國(guó)的酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空并進(jìn)入預(yù)定軌道。“墨子號(hào)”是一顆量子衛(wèi)星，也是世界上第一顆量子衛(wèi)星。

我們聽(tīng)說(shuō)過(guò)氣象衛(wèi)星、天文衛(wèi)星、通訊衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星，軍事用途衛(wèi)星甚至搭載武器的“殺手”衛(wèi)星——恐怕大多數(shù)人都沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)“量子衛(wèi)星”是個(gè)什么玩意兒……

量子衛(wèi)星是什么?能做什么?怎么做?

墨子號(hào)應(yīng)該可以算作通訊衛(wèi)星當(dāng)中的一種。只是，和傳統(tǒng)的通訊衛(wèi)星直接傳遞信息不同， 墨子號(hào)的工作不是傳遞信息本身，而是分配“密鑰”——解碼加密信息的“鑰匙”。

這把密鑰的加密性能，比歷史上人類使用過(guò)的所有密碼本、阿蘭·圖靈造計(jì)算機(jī)想要破譯的 Enigma 密碼、Touch-ID， “兩步驗(yàn)證”甚至 PGP 系統(tǒng)還要高，可以說(shuō)不在一個(gè)級(jí)別上。

以往的密碼/密鑰，要么是固定的，要么非固定但按照一定的邏輯變化，從而有跡可循，讓人們可以使用計(jì)算機(jī)技術(shù)或通過(guò)社會(huì)工程學(xué)來(lái)破譯。量子密碼的安全型提到了前所未有的新高度，幾乎無(wú)法破解。

它利用了量子科學(xué)無(wú)比浪漫的基本原理：

兩顆糾纏的光子被拆散之后，無(wú)論相距多遠(yuǎn)總會(huì)心靈感應(yīng)，一個(gè)形態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)會(huì)像鏡子一樣同步變化。

光子組成了密鑰，墨子號(hào)就是向地面發(fā)射光子的衛(wèi)星——一顆量子密鑰分發(fā)衛(wèi)星。

墨子號(hào)隨長(zhǎng)征-2D 運(yùn)載火箭升空，衛(wèi)星將進(jìn)入 500 千米太陽(yáng)同步軌道。

舉個(gè)例子，打仗，A 地長(zhǎng)官向 B 地前線部隊(duì)發(fā)送軍令。墨子號(hào)可以將許多組每組兩顆糾纏態(tài)光子拆開(kāi)，發(fā)射給 A 和 B 兩地。當(dāng) A 地“觀測(cè)”這些光子，就像用手去觸摸了它們一樣，會(huì)讓這些光子發(fā)生形態(tài)變化。同時(shí)，發(fā)射到 B 地的光子也會(huì)產(chǎn)生一模一樣變化。把這些光子的形態(tài)，按照固定順序記錄下來(lái)，就變成了一組密鑰。A 地按照這個(gè)密鑰加密發(fā)送的信息，B 地手里已經(jīng)拿到了解碼的密鑰，能夠順利解密信息。

怎么保證信息不被第三方破譯呢?需要用到量子科學(xué)的兩條基本特性：“量子態(tài)不可克隆”原理，和“海格堡測(cè)不準(zhǔn)”原理。

不可克隆：世界上就算有長(zhǎng)相一模一樣的人，也絕對(duì)沒(méi)有第三顆一模一樣的光子。只有 A 和 B 知曉目標(biāo)光子的狀態(tài)，世界上也沒(méi)有能夠完美克隆目標(biāo)光子狀態(tài)的機(jī)器。不完美克隆是可以的——然而并沒(méi)有什么用，因?yàn)閺?fù)原出來(lái)的密鑰早已千差萬(wàn)別。

測(cè)不準(zhǔn)：A 摸了光子，改變了光子的狀態(tài)并記錄下來(lái)。誰(shuí)要是再摸，有很大可能狀態(tài)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(cè)它，結(jié)果光子就變化了。結(jié)果 B 要么沒(méi)收到光子，要么收到光子摸完去跟 A 校驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)怎么不一樣啊，就明白了，咱們被人監(jiān)聽(tīng)了。這其實(shí)沒(méi)關(guān)系，兩邊一對(duì)發(fā)現(xiàn)密鑰失守，這條軍令大不了咱們不發(fā)了，請(qǐng)墨子號(hào)給咱們?cè)侔l(fā)一個(gè)新密鑰吧，確認(rèn)沒(méi)問(wèn)題再傳遞信息。

就算有人能一直截獲光子，充其量也是掌握了保險(xiǎn)箱的鑰匙而已——箱子里可以什么東西都沒(méi)有嘛。

上面是對(duì)太空量子加密通訊的一個(gè)非常粗淺的解釋，在專業(yè)人士看來(lái)不一定完全準(zhǔn)確，但應(yīng)該足夠讓你明白墨子號(hào)是干什么，怎么干的。

但這一切仍是個(gè)理論可行，還未在真實(shí)世界里驗(yàn)證過(guò)的尖端設(shè)想。

墨子號(hào)的意義

陸地上的量子通訊，倒是已經(jīng)得到了驗(yàn)證。

包括中國(guó)和美國(guó)在內(nèi)的一些國(guó)家，早就建立了陸基的量子通訊線路，也就是發(fā)射、傳輸和接收全都在陸地上，通過(guò)光纖傳輸。在中國(guó)，“京滬保密線”(北京-濟(jì)南-合肥-上海量子通訊干線)已經(jīng)落成，使用了中國(guó)量子科學(xué)泰斗人物，中科大潘建偉教授研發(fā)的中繼器，能夠順利將光子傳送數(shù)百公里的距離。

潘建偉教授

然而，光纖并非一種良好的光子傳播介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)室里最好的光纖能承載帶寬高達(dá)數(shù)十 Tbps 的光信號(hào)，也能讓你在中國(guó)的家里用 4k 清晰度觀看幾秒前里約奧運(yùn)賽場(chǎng)上的畫(huà)面，卻無(wú)法在量子通訊的范疇里完好無(wú)損地傳播一個(gè)光子。效果已經(jīng)買過(guò)了量子加密最低的門(mén)檻，但還不夠好——你可以理解為，就算導(dǎo)電性能最好的導(dǎo)體也會(huì)自帶電阻。

事實(shí)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(xué)家們很是苦惱：視野必須轉(zhuǎn)向太空!

奧地利量子科學(xué)家，維也納大學(xué)教授安東·蔡林格(Anton Zeilinger)，在量子科學(xué)領(lǐng)域比潘建偉教授資歷更高，也是潘的導(dǎo)師。他早在 2001 年跟歐洲航天局(ESA)提出要搞量子衛(wèi)星，遺憾的是經(jīng)費(fèi)一直批下不來(lái)。

后來(lái)中國(guó)方面提出并確定了量子衛(wèi)星計(jì)劃，蔡林格博士現(xiàn)在同潘建偉教授一起在“墨子號(hào)”項(xiàng)目組工作。

最近 ESA 轉(zhuǎn)過(guò)神來(lái)，決定把自己不輸給中國(guó)的技術(shù)利用起來(lái)，也搞一顆量子衛(wèi)星發(fā)到太空里。知乎用戶“ 宋祁朋 ”介紹，在前面提到的量子通訊具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)上，中歐(主要是法國(guó))之間是兩種不同技術(shù)并行發(fā)展。很難說(shuō)誰(shuí)更厲害，但合作起來(lái)肯定是棒棒的。

墨子號(hào)是科學(xué)家的第一次機(jī)會(huì)，能夠去驗(yàn)證前面說(shuō)的那一大段復(fù)雜而又酷炫的技術(shù)，究竟只是說(shuō)說(shuō)，還是真的能用。更別提衛(wèi)星發(fā)上去了，機(jī)器能不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)仍有待“觀測(cè)”——當(dāng)然，科學(xué)家負(fù)責(zé)最壞的打算，我們負(fù)責(zé)最好的期待。

如果太空量子通信真的實(shí)現(xiàn)了，我們能用它做些什么?

在最近的未來(lái)，如果量子加密通信能夠?yàn)槲覀兯?，可以用它?lái)更安全地發(fā)送信息。只有信息的兩端知道信息的內(nèi)容，服務(wù)器端無(wú)法獲知也無(wú)法保存內(nèi)容，Telegram、PGP 之類的也許可以下崗了。

進(jìn)一萬(wàn)步，如果能直接將光子作為信息本身的傳遞工具，信息也就沒(méi)有“傳遞”一說(shuō)了，而是是跨越時(shí)、空，直接呈現(xiàn)出來(lái)，真正的 real time~(還記得《三體》里的“智子”么?)

量子通信就是這樣的酷炫，但其根本原理仍超過(guò)人類認(rèn)知能力和理解范圍。兩個(gè)糾纏的光子憑什么總能保持相同的狀態(tài)?一個(gè)變了另一個(gè)又是怎樣知道的?如果人類能夠在實(shí)現(xiàn)量子加密、量子信息通訊的同時(shí)或之后，得到這些問(wèn)題的答案，距離宇宙終極原理就又近了一步。

不到那時(shí)，誰(shuí)又知道它對(duì)人類來(lái)說(shuō)，真正意味著什么呢?