|
2 n* P; L4 ?% ^8 _9 [" {% L 前几天诺贝尔物理学奖颁给了三位量子力学试验物理学家，在颁奖的视频里面出现了咱们的墨子卫星。
, [/ @- n: _7 v" g- B3 Q 4 f# _. s* G! C7 Z8 k/ c
但是咱们的墨子号卫星项目带头人潘建伟却无缘诺贝尔奖，原因也很简单，墨子号卫星所使用的量子纠缠技术并不是潘院士第一个提出的，潘院士仅仅是首先实现理论到应用的先行者。 ) R( O$ P {0 u7 ]8 _) C5 m
所以2022年物理诺奖被颁给了三个外国人。关于科学家的各种故事咱们就不过多地聊了，但这件事也让这颗2016年发射的墨子卫星又火了起来。咱们还是聊聊这颗卫星的跨时代意义吧。
' n7 P i O' x2 W. }; I4 K5 ` 首先，墨子号卫星是什么？
V+ K9 D0 I7 o0 \+ }7 M
. L# e3 V5 U/ P 大家都会说“墨子号卫星”是一个量子通讯卫星。严格意义上来说我们并没有通过墨子号卫星通讯。 3 {) K# w) `: P6 ~
“墨子号”卫星是我们中国科学院的研究团队为这颗卫星起的一个昵称，它正式的项目名称叫做“Quantum Experiments at Space Scale，简称 QUESS”，字面意思就很明确了“在宇宙尺度的量子实验”。
/ s: ?7 \! l6 L `9 k 这个实验项目其实在太空中墨子号就做了一件事：分发量子密钥。 + d- m) D! t6 H* u D
量子密钥的分发，主要是利用了量子纠缠原理来实现的，真正的设备其实是一台萨尼亚克效应干涉仪。
1 P2 y( U6 S% \; U 现在很多人都知道双缝干涉： 0 h" o @: q. S( @& Y) L! h" ~( b
6 e3 M2 ?. J7 \: l1 K5 z
光通过两个夹缝的时候会在屏幕上形成干涉条纹。
9 A$ [* X% L& R 但大家有没有想过光线除了在双缝干涉实验中出现干涉现象，还有没有什么易于观测且利于应用的干涉现象呢？
1 a. R/ F l2 @6 x) _ 这就是萨尼亚克效应干涉仪，将一个光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉。 . K! m, B ]( D8 x2 |
0 \( V" _5 j- o0 h6 {: ~5 x& o 萨尼亚克效应是什么呢？在1913年法国科学家萨尼亚克发现，如果转动这组实验装置的光路平面，给这个装置一个角速度，基于光速不变原理本来应该同时到达屏幕的形成光点的光线，就会在屏幕上形成干涉条纹。 ( Z( i$ R( P/ Z1 l: n/ K( F9 ?
$ d' b& E$ g" x" ^* f+ v/ N+ k 经过测量干涉条纹我们就可以反推出装置转动的速度。 ' E7 }4 Q4 X3 a
这个干涉仪在现代应用最多的就是激光陀螺仪。
: h, h# U9 \9 e9 @) Z & Z% k& a) o, s
和传统的惯性陀螺仪原理类似，只不过惯性陀螺仪利用的是角动量守恒原理，而激光陀螺椅应用的是光速不变原理。 , B* w3 L% Q, u& ?4 h
这个东西继续扩大，萨尼亚克干涉仪继续扩大，相信大家也听说过就是引力波探测器
. D p Q& e$ {7 I2 T% h
7 _) Q! Z! f2 K4 b " h8 a! k) B6 T! X
当引力波到达的时候引起空间尺度的变化也会在观测屏幕上显示出干涉条纹。 4 s R$ h4 _% @* }( p
放到墨子号卫星上的是一个带有分光装置的萨尼亚克效应，它可以以特定夹角向外发射一对纠缠的光子。
# y) e+ E8 s% N( Y6 J* a
0 y4 j) \4 P$ a2 T7 {% h- D' v- W 这对纠缠的光子就构成了量子密钥，两地通讯的信息发送端和接收端都可以以这对密钥加密和解密信息。由于“观测”这个行为对于量子来说就是波函数的崩塌（参见：薛定谔的猫），因此量子密钥的特性就在于如果这对纠缠的光子在传输过程中被截获或观测到，那么他们的量子纠缠状态就会被去相干。也就无法作为加密的密钥使用了。这时候信息的接收端或发送端就可以观察到量子纠缠得崩塌，于是这对加密的密钥就作废了。由于每一个数据包都通过仅能一次性使用的量子密钥进行加密和解密，因此基于量子密钥的加密信息传输过程是绝对安全的。 + C2 s$ Y* _( e
' ~1 a4 Y1 D4 N9 z+ i" K: O0 Z& o
这个就解决了政治、军事、经济用途上的绝对安全的通讯链路需求。以军事来说，任何在量子加密网络中传输的数据都不会被窃听和截获。这就解决了军事上要求信息传递绝对安全的要求。部队的调度、命令的传达、武器的激活使用等等一系列的敏感军事问题都可以做到绝对安全。 " w, i6 R8 M! a- e5 n5 s. n% r% |* I
当然了任何通讯手段都有自己的优缺点，基于光量子密钥对分发的通讯，需要建立点对点的量子密钥连接，一个光量子密钥仅仅能满足两点间的通讯需求。如果大规模应用则要求有更多的装置连续的为各种信息的接收和发送端提供各自的量子密钥对。 4 `( p, [/ w/ g! {5 k
墨子号只是我们的实验卫星，到现在已经失去作用了。不过好消息是我们正在建立一个基于量子密钥分发的卫星网络。现在我们发射的很多卫星系统（例如天宫二号）其实都已经带有了墨子号类似的量子密钥分发装置。预计2030年左右我们是可以实现量子通讯卫星组网的。届时我们的机密通讯就真的可以做到密码学上的万无一失了。
; S5 T5 o* }% }* S3 F& _* {+ } L! q) M+ N2 @! m5 Q3 E4 r# P
* Q) b0 Q7 K9 C) B p' {( @6 M! O2 r4 \
) h) M8 h$ p- n3 ~' u. X
2 _/ ]" y ]* ]9 K# W! T
- y6 n* l6 E, c* T; Z/ \# h7 a" L q# P' G2 }5 f- Z" @
( W# f) r& _; i+ e% e' v: Z
; {5 I2 T+ r7 L0 R, J0 q4 h' E. l
5 Y8 V# }7 Y8 u0 K4 }" o7 Q3 O4 \, F* i. v9 l
| 
