Nature专访潘建伟: 世界第一颗量子卫星成功发射 | 深度揭秘

2016-08-18 10:34:58     作者:知社学术圈      来源:雷锋网

世界第一颗量子卫星成功发射背后,都遇到哪些技术难题?

雷锋网按:本文由知社学术圈原创编译。

8月16日凌晨,中国量子卫星“墨子”在酒泉卫星发射中心成功发射。作为世界首颗量子科学实验卫星,发射升空之后将会进行量子通信实验。未来在轨运行的两年时间里,它将配合地面的五个台站,进行大量工作,并将帮助我们建立一个极其安全的全球通信网络。

中国空间量子卫星领军人物,中国科学技术大学常务副校长潘建伟院士说,之所以起名墨子,因为墨子首先通过小孔成像实验发现了光是直线传播的,而且墨子也提出了某种意义上的粒子论。 “因此,光量子学实验卫星用这位中国先贤命名,我认为是很妥帖的。”

潘院士是如何看待这一壮举的呢?让我们看看今年早些时候Nature对他的采访。

潘建伟院士

| 卫星发射的前期准备情况如何?

我们总是保持着两个念头。首先的感觉就是“万事俱备”,我们很开心也很兴奋。然而,时不时我们会想:“可能项目不会成功。”

| 面临着哪些技术难题?

卫星的飞行速度太快,绕地球一圈只需90分钟。它还会遇到紊流等各种问题。所以单光子束会受到很大影响。另外我们还需要克服来自太阳、月亮的背景噪声,以及来自地面城市的光噪声。这些都比我们的单光子要强烈得多。

| 卫星的目标是什么?

我们的首要任务是在卫星和北京地面站、卫星和维也纳地面站之间建立量子密钥分发 (通过光子的量子属性进行编码和共享的密钥)。然后我们会看看以卫星为中继设备,能否在北京和维也纳之间建立量子密钥。

第二步将进行1000公里以上的远距离纠缠分发。我们的技术可以在卫星上产生纠缠光子对。我们会将光子对中的一个光子发射到青海的德令哈站,另一个光子发射到云南的丽江站或新疆的南山站。两个地面站之间的距离约为1200公里,以往的测试大约为100公里。

| 是否质疑过,无论两个粒子距离多远都可以保持纠缠?

怀疑量子力学的人并不太多,但如果探索新的物理内容,就必须做到极致。从理论上讲,量子纠缠能够在任何距离间保持。但我们想看一看是否存在物理极限。人们会问,在经典世界和量子世界之间是否具有某种边界,我们则希望构建某种宏观系统,它可以为我们展示量子现象在这种环境下仍然可以存在。

将来,我们还计划在地球和月球之间尝试纠缠密钥分发。我们希望通过嫦娥计划将一颗量子卫星发射至地月系统中的引力稳定点 (拉格朗日点)。

| 纠缠和量子隐形传态的关系是怎样的?

位于西藏的阿里站则主要配合卫星一起参与第三项量子科学实验——量子隐形传态。我们将从阿里站将纠缠光子对中的一个光子发射至卫星。以阿里站的纠缠光子为中转,第三个光子也将被传送到太空中的那个粒子处。

(在中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心内的量子模拟实验室,工作人员调试超冷原子光晶格平台的激光伺服系统)

量子卫星是一个基础科学空间任务,中国于2015年12月发射的暗物质粒子探测器 (DAMPE) 也是。这是否意味着基础研究卫星是中国的一个新趋势?

是的,我和中科院的同事们都希望推动这一领域的发展。过去,中国只有两个机构具备卫星发射能力:军队和工信部。所以科学家没有途径来发射科研用卫星。唯一的例外是我们与欧航局在2003年合作发射的双星探测器,用于研究地球的磁暴。

| 中国科研卫星如今有什么进展?

中科院的科研人员都非常努力地向政府表达了我们的需求:拥有发射科研卫星的途径非常重要。2011年,中国设立了战略性先导科技专项,这包括了暗物质粒子探测器和我们的量子卫星。这是很重要的一步。

太空卫星模拟资料图

我认为中国的责任不光是为我们自己做些什么——很多国家都已经登陆月球,并进行载人空间飞行——而是去探索一些未知的领域。

| 科学家们会参与中国的空间站计划天宫吗?

决定哪些项目可以进入空间站的判断机制已经发生了很大变化。最初,军方希望承担这一职责,但最后这一工作落在了中科院的肩上。

我们将在空间站上设置一个量子实验,这将给我们的研究带来很多便利,因为我们可以不断地对实验进行升级 (不像量子卫星)。我们对于这种安排感到非常高兴,我们只需要和中科院的领导交换意见,他们也是科学家,所以交流起来非常方便。

| 迈向量子互联网的关键一步

我们知道,“墨子”将为我们创造一个超安全的通信网络,理论上可以链接世界任何地方。当然,加拿大、日本、意大利和新加坡的科研团队也计划进行量子空间实验。

中国科技大学物理学者陆朝阳是中国卫星支持团队的一员,他表示:“可想而知,这将是一场竞赛。”陆教授曾获得知社学术圈2015年中国科技新锐人物特别贡献奖。

陆朝阳教授,中国科学技术大学

飞行器重达640公斤,是中国空间科学卫星的最新成员。项目耗资1亿美元,中国科学院和奥地利国家科学院为共同合作方。

量子通信极其安全,因为任何微小的干扰都可以被发现。双方共享的密钥被编码进极化的光子序列中,任何窃听活动都会留下其痕迹。

目前,科研人员已经成功掌握距离长达300公里的量子通信。光子穿越光纤,传播会被散射或吸收。在保持光子脆弱的量子态时放大信号是极为困难的。因此,我国学者希望通过空间进行光子传输,在这种环境下将更为顺畅,并能够覆盖更远的距离。

卫星核心部位拥有一块晶体,能够产生一对对纠缠的光子,无论它们分开多远,其属性都保持纠缠。飞行器的首要任务就是向位于北京和维也纳的地面工作站发射这样的光子对,通过它们生成密钥。

在未来两年中,项目组计划进行一个统计学测量,即验证空间贝尔不等式从而证明纠缠可以存在于相隔1200公里远的粒子之间。尽管量子理论预测纠缠状态可以在任意距离维持,但这个实验将进一步证明。

研究人员还将尝试量子隐形传态,通过传统方法传输信息,并将纠缠的光子对赋予其中,从而在新位置重建光子的量子态。

潘建伟院士演示实用化量子通信产品进行远距离保密通话

奥地利国家科学院物理学家Anton Zeilinger表示,量子互联网很可能要依靠卫星与地面工作站的结合,目前仍存在一些挑战。比如科学家需要找到卫星之间直接相互交流的方法;需要从不同源头产生纠缠光子的技术;需要提高数据传输效率,使单光子从每秒兆比特级提高到每秒千兆比特级。

最终,空间量子隐形传态将使科研人员能够利用来自卫星的光子形成一个分布式望远镜,以地球的大小为光圈,并提供巨大的分辨率。NASA物理学家Paul Kwiat说 :“你将不仅能观察那些行星,理论上讲,连放在木星卫星上的一块车牌都能看到。”

Zeilinger还表示,中国量子卫星的试验成功无疑将推动其他研究团队的发展,科研经费也会更容易划拨。

【参考资料】

1、China’s quantum space pioneer: We need to explore the unknown

2、Chinese satellite is one giant step for the quantum internet 新华社

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