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中国成功发射全球首颗量子科学实验卫星

时间:2016年08月16日 信息来源:中国新闻网 点击: 【字体:

中新社酒泉8月16日电 8月16日01时40分,中国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将全球首颗量子科学实验卫星(简称量子卫星)发射升空。此次发射任务的圆满成功,标志着中国空间科学研究又迈出重要一步。


量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一,其主要科学目标是借助卫星平台,进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破;在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。


量子卫星工程由中国科学院国家空间科学中心抓总负责。中国科学技术大学负责科学目标的提出和科学应用系统的研制;中国科学院上海微小卫星创新研究院(上海微小卫星工程中心)抓总研制卫星系统,中国科学院上海技术物理研究所联合中国科学技术大学研制有效载荷分系统;中国科学院国家空间科学中心牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行,对地观测与数字地球科学中心等单位参加。


中国自主研发的量子卫星突破了一系列高新技术,包括同时瞄准两个地面站的高精度星地光路对准、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等工程级关键技术等,卫星设计寿命为两年。量子卫星的成功发射和在轨运行,将有助于中国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位,实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升,有望推动中国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破,对于推动中国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。


本次任务还搭载发射了中国科学院研制的稀薄大气科学实验卫星和西班牙科学实验小卫星。


长征二号丁运载火箭由中国航天科技集团公司所属上海航天技术研究院研制。此次发射是长征系列运载火箭的第234次飞行。


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太空卫星模拟资料图


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“量子科学实验卫星”工作示意图。


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工作人员调试超冷原子光晶格平台的激光伺服系统。 新华社发


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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。新华社发


量子通信是什么?


量子世界中存在一种类似“心电感应”的现象,即量子纠缠。就好比有些双胞胎,虽然哥哥在北京,弟弟在上海,当哥哥特别高兴时,弟弟也会特别高兴;而哥哥特别痛苦的时候,弟弟也会特别痛苦。


量子纠缠是指在微观世界里,有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系,不管它们相距多远,只要一个粒子状态发生变化,另一个粒子状态也会发生相应变化,即两个或两个以上的稳定粒子间会有强的量子关联,但为什么会这样?科学家们直到今天还没搞清楚。


实验已证明,具有纠缠态的两个光量子无论相距多远,只要一个发生变化,另外一个也会瞬间发生变化。量子保密通信就是利用这个特性实现的,即基于量子纠缠态的理论,通过量子密钥传输和量子隐形传态的方式实现信息传递。


其过程如下:事先构建一对具有纠缠态的光量子,将这对光量子分别放在通信双方,把具有未知量子态的光量子与发送方的光量子进行联合测量,则接收方的光量子瞬间变化为某种状态,这个状态与发送方的光量子变化后的状态是对称的,然后把联合测量的信息通过经典信道传送给接收方,接收方根据接收到的信息对变化的光量子进行幺正变换(相当于逆转变换),就可得到与发送方完全相同的未知量子态。


量子通信的关键要素是量子密钥,用具有量子态的物质作为密码。在传递信息的过程中,量子密钥一旦被截获,其自身状态会立刻发生改变,截获量子密钥的人只能得到无效信息,而信息的合法接收者也能立刻察觉,直到一把新的密钥安全无误地被接收。


量子卫星能做什么?


我国量子科学实验卫星质量约640千克,由长征-2D运载火箭发射,运行于500千米太阳同步轨道,轨道倾角为97.37°,设计在轨运行寿命2年。科学家已在相距300千米的地面成功进行了量子纠缠实验,而量子科学实验卫星将把这个实验带到外层空间,连接中国和欧洲之间的量子通信网,旨在建立卫星与地面远距离量子科学实验平台,在国际上首次在空间大尺度下实现星地自由空间量子密钥生成和分发,以及量子隐形传态实验等。


该卫星的核心是一个能够产生成对纠缠态光量子的晶体,无论它们分开多远,其性质仍然能纠缠在一起。其第一个任务是发送这些成对量子中的一方去往在北京和维也纳的地面站,并使用它们来生成密钥;第二个任务是证明这个纠缠可以存在于相隔上千米的粒子之间,因为量子理论预测纠缠一直存在于任何距离;第三个任务是尝试地面与卫星之间量子隐形传态,使用通过传统方式传输来的纠缠光量子对及其所携带的信息,在一个新位置重建光子的量子状态。


(作者:梁晓辉)
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