《科学大家》专栏|“墨子号”——漫漫追星路

《科学大家》专栏|“墨子号”——漫漫追星路
2021年03月10日 09:50 新浪科技

  出品:新浪科技《科学大家》、墨子沙龙

  撰文:印娟 中国科学技术大学教授,国家优秀青年科学基金获得者,“墨子号”量子科学实验卫星量子纠缠源载荷主任设计师

  墨子号是全球首颗量子科学实验卫星,是十二五期间立项的四颗先导卫星中的一个。它在2011年由中科院牵头研制,于2016年8月16号在酒泉卫星发射中心发射,并从此进入了公众的视野。算一下研制周期,墨子号的研制总共大概花费了五年的时间。

  卫星发射以后,首先进行了四个月的在轨测试,2017年的1月18号正式交付使用,供科学家进行科学实验。墨子号设定的使用寿命是两年,因此我们需要在两年内完成全部预定的科学实验。但实际上,在卫星发射之后一周年的2017年的8月,就已经完成了所有的实验。后续的这三年,我们一直都在开展相应的拓展实验。

  从卫星发射至今又过了四年,加上卫星研制的五年,就有点类似于上海小朋友的九年义务教育体制:五年的小学、四年的中学。很自然的,有九年义务教育,也就有学龄前的六到七年的时间。

  2012年底,《自然》杂志以“空间量子竞赛”为题,介绍了我国和欧洲团队在自由空间量子通信方面的竞争。然而,最早在2005年,我们就已经在合肥开展了首个13公里的纠缠分发的实验。也就是说从2005年到2011年,再到2020年,它相当于经历了学前儿童、小学和初中,如今已经成长为一名高中生。在整个这样一个成长过程中,它到底解锁了哪些这样的技术,以及它又取得了哪些很有显著性的成果?这就是我今天要跟大家介绍的内容。

  首先我还是要介绍一下量子基本概念。量子是构成物质的最基本单元,它是能量的最基本的携带者。日常生活中的光源,比如灯、太阳等,你看到的是一个整体的亮度,如果把这样的能量细分,分到最后无法再分割的时候,就是一个光子。不可分割的这样一个光子,就是一个量子;同样,原子、分子也是量子的一种表现形式。只需记住一点,量子是不可分割的。此外,当用某个量子来做量子通信的一些实验时,从理论上就不可能再找到一个跟它一模一样的量子,让我能够偷偷在旁边去观测它或者是干任何其他事情,所以它是唯一的。

  量子还有一个特性:相干叠加性。经典比特可以是在0或者1中的某一个状态,而量子比特可以处在|0> +|1>的混合态,可以以不同的比例混合。如果你去对它进行任何的测量的时候,其状态就会塌缩,所以它是唯一的。打一个简单的比方:一个飞速旋转的硬币,在被拍下来之前,你不知道他处于正面还是反面;如果去拍它,它会按照一定的概率塌缩,但那个塌缩后的状态并非其原始的飞速旋转的状态。所以对量子的单次测量不能够得到其全部信息,因而就不能够重新构造,也就不能够被复制。

  对于单粒子的体系,结合前面所述的量子的不可分割性、测不准特性、以及不可克隆性,就形成了在量子密钥分发里安全性的基础。而对于双粒子的体系的相干叠加性,会形成一个更有趣的性质——量子纠缠。

  我是“墨子号”量子科学实验卫星项目中,负责制造天上量子纠缠源的主任设计师,因为后面的介绍会涉及量子纠缠,所以在这里先介绍一下处于量子纠缠态的两个量子会有哪些特性。大家对“薛定谔的猫”有一定的概念,这个猫可能会处于活的状态,或者是死的状态,或者是半死不活的状态。但是对于其他的量子,可能会有很多种能够塌缩的状态,比如六面的骰子。当两个骰子处于纠缠状态的时候,如果对其中一个进行测量,假如说它处在3的状态,那么不管另外一个骰子相距多远,哪怕是跑到月球上去,它也会同时立刻的塌缩到3的状态。这种现象即为量子纠缠,在当时被爱因斯坦称为遥远地点之间的诡异互动。

  量子纠缠这样一种无论分隔多远都有关联的现象,可以用做量子通信和量子隐形传态。此外可以用来检验量子力学的基本的概念,同时也是可升级量子信息处理当中的核心资源。

  量子通信是量子信息领域最接近实用化的一个方向。而我们说到通信,就希望地球上不管是什么地方的人,都有可能建立这样一个通信。所以向更远距离的拓展,一直是量子通信的很重要的研究方向。

  在技术路线上,一开始有两条路:光纤量子信道和自由空间量子信道。光纤信道是一个很成熟的一个概念,现在的家用光纤网络,都已经可以入户了。而且光纤技术也很成熟,比如说其损耗,每公里只有0.2dB。如果短距离使用的话,比如10公里、20公里,它可能只会衰减一半的能量,这是一个很好的方式。但是它的损耗随着距离指数衰减,在20公里的衰减可能很小,但是如果长度达到1000公里时,0.2dB乘以1000公里就是200dB。200dB是什么概念?如果一个光子经过传输,最后剩下的概率是10-20,那么对于现在的光源系统,我需要花1000年才能传一个光子过去,所以光纤量子信道就没有办法使用。这是光子的固有损耗带来的问题。除此之外,光纤还会跟环境有一些耦合,它使得量子态,包括前面提到的量子纠缠,会有退相干的效应,所以它就很难向更远的距离发展。而光纤信道要做得较长,就会存在这样的问题。但是也有很多的同行在做这方面的事情,因为毕竟在某些场合,比如局域网,用起来还是很方便的。

  所以研究的方向就选择了自由空间的量子通信,因为近地面的大气层等效厚度大概在八公里左右,太空的外面都是基本上是没有损耗的,而且自由空间几乎没有退相干效应。所以从我进入这个领域开始,所从事的方向就是基于空间平台的自由空间量子通信。

  我们团队的实验室是在2001年开建的,那时每一个器件的搭建,尤其是光路的稳定,都磕磕绊绊的,每一天都需要维护。这个时候不可能直接在卫星上做实验,所以就需要把这个基于空间平台的“疯狂”设想,分成好几步走。

2003年,提出自由空间量子通信的构想;2004年,实现13公里自由空间量子纠缠和密钥分发[PRL 94, 150501 (2005)]
2003年,提出自由空间量子通信的构想;2004年,实现13公里自由空间量子纠缠和密钥分发[PRL 94, 150501 (2005)]
2009年,实现16公里自由空间量子隐形传态 [Nature Photonics 4, 376 (2010)]
2009年,实现16公里自由空间量子隐形传态 [Nature Photonics 4, 376 (2010)]

  首先第一步,由于光量子不能放大、不能克隆,而且传输损耗非常大,所以需要让其先在大气中传一段,让我看到它的存在。在一开始,我们做了一个13公里,一个16公里的实验,都是去验证、检验这样一个量子态,在穿过等效大气十公里之后,它的量子态是否依然能够保持有效。

  第一步的实验只是保证了在大气中短距传输的损耗是能够接受的范围,但这样的一个状态,还是没有办法保证上卫星。而与卫星之间的传输,除了要考虑更高光的损耗之外,还需要考虑发射的光张角的变化。此外,还需要保证光束对卫星的跟瞄,这对实验的稳定性提出了很高的要求。

2011年,实现100公里级自由空间量子隐形传态以及双向量子纠缠分发[Nature 488, 185 (2012)]验证在高损耗星地链路中进行量子通信的可行性
2011年,实现100公里级自由空间量子隐形传态以及双向量子纠缠分发[Nature 488, 185 (2012)]验证在高损耗星地链路中进行量子通信的可行性
2012年,实现星地量子通信的全方位地基验证[Nature Photonics 7, 387 (2013)]验证各种卫星运动姿态下进行星地量子通信的可行性
2012年,实现星地量子通信的全方位地基验证[Nature Photonics 7, 387 (2013)]验证各种卫星运动姿态下进行星地量子通信的可行性

  所以第二步,我们选择在青海湖模拟星地真实链路,因为其满足模拟星地真实链路对实验地点的要求,即100公里目视可及。在这里,我们模拟了卫星运动的许多模式,比如先让转台在屋里定点转动,激光器在远处跟瞄;然后让转台在汽车、吊车上转动。或者让气球把吊篮吊上去,再将气球升空,做垂直维度的跟瞄。抑或是在飞机上,做对飞机的跟瞄,以模拟飞行速度很快的情况。

高灵敏的能量分辨率:可以从地球上探测到在月球上点燃的一根火柴高灵敏的能量分辨率:可以从地球上探测到在月球上点燃的一根火柴

  通过这一系列来模拟卫星姿态的怪招,一些关键技术被解锁,比如说高精度的捕获跟瞄技术,这意味着我们在卫星过顶的时候,可以自动捕获上,以及高灵敏的能量分辨探测技术,还有更重要的光源技术。从最初的实验,到这一步实验结束,光源亮度已经提升了100倍,为后续卫星的立项直接奠定了非常牢固的基础。

  上述的实验是在2011年左右结束。前面的一系列实验成果在11月份墨子号的立项论证过程是在起到了至关重要的作用。在立项论证时,所说的研究的基本目标是进行卫星和地面的量子密钥分发,拓展任务是进行空间尺度的量子力学非定域性检验,以及地面和卫星的量子隐形传态。但在整个研制的过程中,研究团队把这三大任务并列当成了是我们必须要做的事情。因为在光源、链路和探测方面都做到了极致,所以所有的科学目标能够在2017年内完成。

  举一个简单的例子,因为这是一个科学卫星,所以可以为了科学目标去做必要的调整。这颗卫星最早其实设计在600公里的轨道运行,而实际运行在500公里轨道。这个降轨在卫星的体系里面,属于一个非常重大的调整。而调整的原因是什么呢?原因在于拓展目标。拓展目标是地到天的过程,就是源在地上,探测器在天上。但在研制的过程中就发现了,探测器就算不开机,在天上受到质子的辐照之后,会有位移效应,它的噪声会快速的增长。卫星上去一般都有三到四个月的在轨测试,通过计算以后发现,探测器上去三到四个月以后,它的暗计数就增长到不能够做实验了。所以我们就做了几方面的改进,一方面是通过一系列的电子学上的降温、防辐射等手段;另外一个就是把轨道从600公里降到500公里,因为在500公里以下,探测器受到地球磁场的保护,辐照会有大幅的减少。

  在这三个主要任务完成之后,研究团队这三年又开展了一系列的拓展实验。

  墨子号是一个太阳同步轨道卫星,所以它每天晚上在当地时的12点都会飞过当地上空。比如说你家在北京,今天晚上北京时间的12点,它会过一次境;如果你在乌鲁木齐,它会在北京时间晚上的2点多过乌鲁木齐,因为乌鲁木齐的当地时是12点;到北京时间第二天早上的7点,又到欧洲晚上的半夜的12点了,它又飞过维也纳。这样一个飞行之后,卫星可以跟地面上任意一个点做量子通信,通信完以后,卫星跟所有的人都有密钥,卫星的作用相当于一个中继点。

  但是要用密钥的人都在地面,那么怎么办?假如维也纳想跟乌鲁木齐之间建立密钥,而天上的卫星知道这两个密钥,只需做一个与或的逻辑运算,并把结果发给乌鲁木齐,乌鲁木齐用它的密钥把密码翻译一下,就跟维也纳一一对应了。所以这个过程中,卫星作为一个可信的中继,为什么是可信?卫星知道所有的事情,如果你从卫星上拿到信息,卫星就能清楚地知道维也纳和乌鲁木齐之间拿走的是什么信息,而卫星可以把这个信息解码。

  除了可信中继方案外,还有另外一种通信方案能够仅让通信的双方知晓互相的信息,而仅把卫星作为一个产生纠缠和分发纠缠的一方。由于处于纠缠态的两个光子,无论分到哪里,即使分到地面站,依旧会处于纠缠状态。那么这两个人只要检测到它的纠缠,就可以拿它来生成密钥,而且是一对一的密钥。采用这个方式以后,因为卫星它没有对纠缠进行任何的操作,没有获得任何的信息,所以密钥只在地上的两方来产生。即使卫星不是自己造的,而是其他国家造的,甚至是你自己造却被别人控制了,也没有关系,因为密钥只取决于你自己对纠缠的检测。

  尽管第二个方案保密性更强,但现在它的码率非常低,量级在0.1bit/s。而第一个方案的码率在1kbit/s。因为卫星是我们自己造的,所以卫星是完全可以相信的,并用它来做一些商用的密码。而第二个方案的密钥量非常的少,如果要积累足够的密钥来用,需要非常多的资源,所以它可以用在一些高等级、对安全级别要求更高的,对密钥量需求不大的场合。从应用上来两种方案有各的优势。

检测引力致纠缠退相干现象的实验示意图检测引力致纠缠退相干现象的实验示意图

  除了量子通信方向,墨子号还去做了一些尝试,例如引力导致纠缠退相干的模型。量子力学和广义相对论是现代物理理论框架的两个支柱,但是它们之间还没有完美的融合,但是如今出现了很多的理论。广义相对论指出,在地球引力场的情况下时空会弯曲,时空的弯曲会导致时间的平移。假设纠缠的一对光子中,有一个光子在地上放着,另外一个发到卫星上,在飞的过程当中,它前后光子,本来是排着队一起走,一对一的跟地上,但是在飞的过程中受到引力的影响,而跟地上的光子不同步。就会导致在数光子时,如果只数发到卫星的这一路时,它和未受到引力影响时相同,但当与地上的光子关联时,就会看到这个地方掉下去了,就不一样了。

  如果看到往下掉的过程,就表示观察到了引力导致退相干的结果。实际上,实验结果是符合量子力学的,结果是符合量子力学的:无论光子飞多远,实验结果还是看到一对一对的,并没有发现引力影响了测试的结果。所以我们和理论的作者一起,把他原来的理论模型进行了升级。现在卫星500公里(轨道)太低了,所以需要更高的轨道,可能就会观察到引力带来的效应。随之而来的是更高的实验要求。除此之外,墨子号还可以进行高精度的安全视频的传递。这里就不再赘述了。

墨子号划过星空墨子号划过星空

  卫星发射以后,它后续取得的一些成果都获得了很好的国际评价,这四年一直保持着它的热度。在去年年底,《自然》杂志在它评选的21世纪10年代的科学大事件,“墨子号”的成果也列入了其中。而“墨子号”的第一个发布的成果,就是Science上发表双向纠缠密钥分发结果,也获得了当年美国科学促进会的“克利夫兰奖”。这是在1923年设立,九十多年以来,我国本土的成果首次获得这一奖项。

  “墨子号”的新一代会有哪一些事情要做?虽然“墨子号”很成功,但是它只是一颗低轨的卫星,它过一个站的时间只有六分钟左右,仅能覆盖范围1000公里直径的范围,而且只能在地影区工作,所以它离实际应用还有一定的距离,作为研究人员,我们还有很多事情要做。

  我们未来的目标是要实现全球化的量子通信,这就要通过“量子星座”来完成。首先就要利用“墨子号”上已经成熟的技术,把它做到小型化,并使用多颗卫星组网。如果卫星的质量做到50公斤左右,其研制、发射成本会有很明显的降低。通过三到五颗的这样的卫星组网就可以覆盖整个地球。地上的某一个站可以持续一个星期刷新密钥,在初步的商业应用方面会起到很好的作用了。

  除了一颗低轨的卫星,研究者们还需要把目光投到更高的中高轨卫星,甚至是同步轨道。但是到了同步轨道,卫星只有0.6%的机会是在地影区,其他都是被太阳照亮的。所以还要解决的一个问题就是地面站不能在白天开展实验这一限制。此外,除了天上的卫星组网,还需要将现有的地面站小型化。

  总的来讲,我们的目标是要建立一个完整的天地一体化的广域量子保密通信网络体系,并且跟经典通信网络实现无缝的链接,共同结合,实现安全的保密通信。

  注:本文内容根据印娟教授于墨子沙龙现场演讲编译整理而来

墨子号卫星量子
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