中國發射的世界首顆量子衛星，到底是做什麼用的？
今天下午，中國研製的「墨子號」衛星，成功發射升空並進入預定軌道。「墨子號」是一顆量子衛星，也是世界上第一顆量子衛星。我們聽說過氣象衛星、天文衛星、通訊衛星、導航衛星，軍事用途衛星甚至搭載武器的「殺手」衛星&mdash;&mdash;恐怕大多數人都沒聽說過「量子衛星」是什麼？<p>&nbsp;</p> <h2>量子衛星是什麼？能做什麼？怎麼做？</h2> <p>墨子號應該可以算作通訊衛星當中的一種。只是，和傳統的通訊衛星直接傳遞訊息不同，<strong>墨子號的工作不是傳遞訊息本身，而是分配「密鑰」&mdash;&mdash;解碼加密訊息的「鑰匙」。</strong></p> <p>這把密鑰的加密性能，比歷史上人類使用過的所有密碼本、圖靈造電腦想要破譯的&nbsp;Enigma 密碼、Touch-ID， 「兩步驗證」甚至 PGP 系統還要高，可以說不在一個等級上。</p> <p>以往的密碼/密鑰，要不是固定的，要就是非固定但按照一定的邏輯變化，從而有跡可循，讓人們可以使用電腦技術或透過社會工程學來破譯。量子密碼的安全性則是提升到了前所未有的新高度，幾乎無法破解。</p> <p>它利用了量子科學的基本原理：</p> <blockquote> <p>兩顆糾纏的光子被拆散之後，無論相距多遠總會心靈感應，一個形態發生變化，另一個會像鏡子一樣同步變化。</p> </blockquote> <p>光子組成了密鑰，墨子號就是向地面發射光子的衛星&mdash;&mdash;一顆量子密鑰分發衛星。</p> <p><img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="http://cdn3.techbang.com.tw/system/images/359607/original/1c5dc626ab8a7680373eb61a76099a3c.png?1471343568" alt="" width="600" height="382" /></p> <div class="wp-caption aligncenter" style="width: 610px;" id="attachment_82940">舉個例子，打仗，A 地長官向 B 地前線部隊發送軍令。墨子號可以將許多組每組兩顆糾纏態光子拆開，發射給 A 和 B 兩地。當 A 地「觀測」這些光子，就像用手去觸摸了它們一樣，會讓這些光子發生形態變化。同時，發射到 B 地的光子也會產生一模一樣變化。把這些光子的形態，按照固定順序記錄下來，就變成了一組密鑰。A 地按照這個密鑰加密發送的訊息，B 地手裡已經拿到瞭解碼的密鑰，能夠順利解密訊息。</div> <p>怎麼保證訊息不被第三方破譯呢？需要用到量子科學的兩條基本特性：「量子態不可複製」原理，和「海格堡測不準」原理。</p> <p>不可複製：世界上就算有長相一模一樣的人，也絕對沒有第三顆一模一樣的光子。只有 A 和 B 知道目標光子的狀態，世界上也沒有能夠完美複製目標光子狀態的機器。不完美複製倒是可以的&mdash;&mdash;然而並沒有什麼用，因為復原出來的密鑰早已千差萬別。</p> <p>測不準：A 摸了光子，改變了光子的狀態並記錄下來。誰要是再摸，有可能狀態又變了。理論上，如果第三方想要截取密鑰，必須先截獲光子，再去觀測它，結果光子就變化了。結果 B 要不是沒收到光子，要就是收到光子摸完去跟 A 校驗，發現怎麼不一樣啊，就明白被監聽了。而且就算知道被監聽也沒關係，因為兩邊一對發現密鑰失守，可以請墨子號再發一個新密鑰， 確認沒問題再傳遞訊息。</p> <p><strong>就算有人能一直截獲光子，充其量也是掌握了保險箱的鑰匙而已&mdash;&mdash;箱子裡可以什麼東西都沒有嘛。</strong></p> <p>上面是對太空量子加密通訊的一個非常粗淺的解釋，在專業人士看來不一定完全準確，但應該足夠讓你明白墨子號是干什麼，怎麼幹的。</p> <p>但這一切仍是個理論可行，還未在真實世界裡驗證過的尖端設想。</p> <p>&nbsp;</p> <h2>墨子號的意義</h2> <p>陸地上的量子通訊，倒是已經得到了驗證。</p> <p>光纖並非一種良好的光子傳播介質。實驗室裡最好的光纖能承載帶寬高達數十 Tbps 的光信號，也能讓你在家裡用 4k 清晰度觀看幾秒前里約奧運賽場上的畫面，卻無法在量子通訊的範疇裡完好無損地傳播一個光子。效果已經買過了量子加密最低的門檻，但還不夠好&mdash;&mdash;你可以理解為，就算導電性能最好的導體，本身也還是有電阻。</p> <p>事實上，光纖不完美，地面空氣也不完美。這讓追求完美的量子科學家們很是苦惱：視野必須轉向太空！</p> <p><img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="http://cdn1.techbang.com.tw/system/images/359606/original/0bb44feff9d0e3111f5bf942edac6008.png?1471343491" alt="" width="600" height="356" /></p> <p>奧地利量子科學家，維也納大學教授安東&middot;蔡林格（Anton Zeilinger），在量子科學領域早在 2001 年跟歐洲太空總署（ESA）提出要搞量子衛星，遺憾的是經費一直批下不來。</p> <p>後來中國提出並確定了量子衛星計劃，蔡林格博士現在也在「墨子號」的計畫裡頭工作。最近 ESA 回過神來，決定把自己不輸給中國的技術利用起來，也想要發射一顆量子衛星發到太空裡。</p> <p>墨子號是科學家的第一次機會，能夠去驗證前面說的那一大段複雜而又酷炫的技術，究竟只是說說，還是真的能用。更別提衛星發上去了，機器能不能正常運轉仍有待「觀測」&mdash;&mdash;當然，科學家負責最壞的打算，我們負責最好的期待。</p> <p>&nbsp;</p> <h2>如果太空量子通信真的實現了，能用它做什麼？</h2> <p>在最近的未來，如果量子加密通信能夠為我們所用，可以用它來更安全地發送訊息。只有訊息的兩端知道訊息的內容，伺服器端無法獲知也無法保存內容，Telegram、PGP 之類的加密工具也許就可以退休了。</p> <p>進一萬步，如果能直接將光子作為訊息本身的傳遞工具，訊息也就沒有「傳遞」一說了，而是是跨越時、空，直接呈現出來，真正的 real time。</p> <p>量子通信就是這樣的酷炫，但其根本原理仍超過人類認知能力和理解範圍。兩個糾纏的光子憑什麼總能保持相同的狀態？一個變了另一個又是怎樣知道的？如果人類能夠在實現量子加密、量子訊息通訊的同時或之後，得到這些問題的答案，距離宇宙終極原理就又近了一步。</p> <p>不到那時，誰又知道它對人類來說，真正意味著什麼呢？</p> <p><a href="http://www.pingwest.com/what-is-mozi-what-does-it-do/" target="_blank"><img src="http://cdn1.techbang.com.tw/system/images/126620/original/d09859340c8ae934206c2ac28e87b757.png?1373042745" alt="" width="150" height="27" /></a></p> <p>&nbsp;</p> <div style="position: absolute; left: -10000px; top: 0px; width: 1px; height: 1px; overflow: hidden;" class="mcePaste" id="_mcePaste"> <p>北京時間 8 月 16 日下午 1 時 40 分，中國科學院國家空間科學中心研製的「墨子號」衛星，在中國的酒泉衛星發射中心成功發射升空並進入預定軌道。「墨子號」是一顆量子衛星，也是世界上第一顆量子衛星。</p> <p>我們聽說過氣象衛星、天文衛星、通訊衛星、導航衛星，軍事用途衛星甚至搭載武器的「殺手」衛星&mdash;&mdash;恐怕大多數人都沒聽說過「量子衛星」是個什麼玩意兒&hellip;&hellip;</p> <hr /> <p>&nbsp;</p> <h2>量子衛星是什麼？能做什麼？怎麼做？</h2> <p>&nbsp;</p> <p>墨子號應該可以算作通訊衛星當中的一種。只是，和傳統的通訊衛星直接傳遞訊息不同，<strong>墨子號的工作不是傳遞訊息本身，而是分配「密鑰」&mdash;&mdash;解碼加密訊息的「鑰匙」。</strong></p> <p>這把密鑰的加密性能，比歷史上人類使用過的所有密碼本、阿蘭&middot;圖靈造電腦想要破譯的&nbsp;Enigma 密碼、Touch-ID， 「兩步驗證」甚至 PGP 系統還要高，可以說不在一個級別上。</p> <p>以往的密碼/密鑰，要麼是固定的，要麼非固定但按照一定的邏輯變化，從而有跡可循，讓人們可以使用電腦技術或透過社會工程學來破譯。量子密碼的安全型提到了前所未有的新高度，幾乎無法破解。</p> <p>它利用了量子科學無比浪漫的基本原理：</p> <blockquote> <p>兩顆糾纏的光子被拆散之後，無論相距多遠總會心靈感應，一個形態發生變化，另一個會像鏡子一樣同步變化。</p> </blockquote> <p>光子組成了密鑰，墨子號就是向地面發射光子的衛星&mdash;&mdash;一顆量子密鑰分發衛星。</p> <div class="wp-caption aligncenter" style="width: 610px;" id="attachment_82940"><img class="size-full wp-image-82940" style="width: 100%;" src="http://cdn.pingwest.com/wp-content/uploads/2016/08/b083fe955fd6191c9b5d02.jpg?imageView2/2/w/750/q/90" alt="墨子号随长征-2D 运载火箭升空。卫星将进入 500 千米太阳同步轨道" width="600" height="269" /> <p class="wp-caption-text">墨子號隨長征-2D 運載火箭升空，衛星將進入 500 千米太陽同步軌道。</p> </div> <p>舉個例子，打仗，A 地長官向 B 地前線部隊發送軍令。墨子號可以將許多組每組兩顆糾纏態光子拆開，發射給 A 和 B 兩地。當 A 地「觀測」這些光子，就像用手去觸摸了它們一樣，會讓這些光子發生形態變化。同時，發射到 B 地的光子也會產生一模一樣變化。把這些光子的形態，按照固定順序記錄下來，就變成了一組密鑰。A 地按照這個密鑰加密發送的訊息，B 地手裡已經拿到瞭解碼的密鑰，能夠順利解密訊息。</p> <p>怎麼保證訊息不被第三方破譯呢？需要用到量子科學的兩條基本特性：「量子態不可克隆」原理，和「海格堡測不準」原理。</p> <p>不可克隆：世界上就算有長相一模一樣的人，也絕對沒有第三顆一模一樣的光子。只有 A 和 B 知曉目標光子的狀態，世界上也沒有能夠完美克隆目標光子狀態的機器。不完美克隆是可以的&mdash;&mdash;然而並沒有什麼用，因為復原出來的密鑰早已千差萬別。</p> <p>測不準：A 摸了光子，改變了光子的狀態並記錄下來。誰要是再摸，有很大可能狀態又變了。理論上，如果第三方想要截取密鑰，必須先截獲光子，再去觀測它，結果光子就變 化了。結果 B 要麼沒收到光子，要麼收到光子摸完去跟 A 校驗，發現怎麼不一樣啊，就明白了，咱們被人監聽了。這其實沒關係，兩邊一對發現密鑰失守，這條軍令大不了咱們不發了，請墨子號給咱們再發一個新密鑰吧， 確認沒問題再傳遞訊息。</p> <p><strong>就算有人能一直截獲光子，充其量也是掌握了保險箱的鑰匙而已&mdash;&mdash;箱子裡可以什麼東西都沒有嘛。</strong></p> <p>上面是對太空量子加密通訊的一個非常粗淺的解釋，在專業人士看來不一定完全準確，但應該足夠讓你明白墨子號是干什麼，怎麼幹的。</p> <p>但這一切仍是個理論可行，還未在真實世界裡驗證過的尖端設想。</p> <h2>墨子號的意義</h2> <p>&nbsp;</p> <p>陸地上的量子通訊，倒是已經得到了驗證。</p> <p>包括中國和美國在內的一些國家，早就建立了陸基的量子通訊線路，也就是發射、傳輸和接收全都在陸地上，透過光纖傳輸。在中國，「京滬保密線」（北京 -濟南-合肥-上海量子通訊幹線）已經落成，使用了中國量子科學泰斗人物，中科大潘建偉教授研發的中繼器，能夠順利將光子傳送數百公里的距離。</p> <div class="wp-caption aligncenter" style="width: 1210px;" id="attachment_82939"><img class="size-full wp-image-82939" style="width: 100%;" src="http://cdn.pingwest.com/wp-content/uploads/2016/08/1457047196000_619.jpg?imageView2/2/w/750/q/90" alt="潘建伟教授" width="1200" height="800" /> <p class="wp-caption-text">潘建偉教授</p> </div> <p>然而，光纖並非一種良好的光子傳播介質。實驗室裡最好的光纖能承載帶寬高達數十 Tbps 的光信號，也能讓你在中國的家裡用 4k 清晰度觀看幾秒前里約奧運賽場上的畫面，卻無法在量子通訊的範疇裡完好無損地傳播一個光子。效果已經買過了量子加密最低的門檻，但還不夠好&mdash;&mdash;你可以理解 為，就算導電性能最好的導體也會自帶電阻。</p> <p>事實上，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家們很是苦惱：視野必須轉向太空！</p> <p>奧地利量子科學家，維也納大學教授安東&middot;蔡林格（Anton Zeilinger），在量子科學領域比潘建偉教授資歷更高，也是潘的導師。他早在 2001 年跟歐洲航天局（ESA）提出要搞量子衛星，遺憾的是經費一直批下不來。</p> <p>後來中國方面提出並確定了量子衛星計劃，蔡林格博士現在同潘建偉教授一起在「墨子號」項目組工作。</p> <p>最近 ESA 轉過神來，決定把自己不輸給中國的技術利用起來，也搞一顆量子衛星發到太空裡。知乎用戶「<a href="http://www.zhihu.com/question/49626219/answer/117072883?from=profile_answer_card" target="_blank">宋祁朋</a>」介紹，在前面提到的量子通訊具體實現技術上，中歐（主要是法國）之間是兩種不同技術並行發展。很難說誰更厲害，但合作起來肯定是棒棒的。</p> <p>墨子號是科學家的第一次機會，能夠去驗證前面說的那一大段複雜而又酷炫的技術，究竟只是說說，還是真的能用。更別提衛星發上去了，機器能不能正常運轉仍有待「觀測」&mdash;&mdash;當然，科學家負責最壞的打算，我們負責最好的期待。</p> <h2>如果太空量子通信真的實現了，我們能用它做些什麼？</h2> <p>&nbsp;</p> <p>在最近的未來，如果量子加密通信能夠為我們所用，可以用它來更安全地發送訊息。只有訊息的兩端知道訊息的內容，服務器端無法獲知也無法保存內容，Telegram、PGP 之類的也許可以下崗了。</p> <p>進一萬步，如果能直接將光子作為訊息本身的傳遞工具，訊息也就沒有「傳遞」一說了，而是是跨越時、空，直接呈現出來，真正的 real time~（還記得《三體》裡的「智子」麼？）</p> <p>量子通信就是這樣的酷炫，但其根本原理仍超過人類認知能力和理解範圍。兩個糾纏的光子憑什麼總能保持相同的狀態？一個變了另一個又是怎樣知道的？如果人類能夠在實現量子加密、量子訊息通訊的同時或之後，得到這些問題的答案，距離宇宙終極原理就又近了一步。</p> <p>不到那時，誰又知道它對人類來說，真正意味著什麼呢？</p> </div><a href="http://www.facebook.com/TKbang">加入T客邦Facebook粉絲團</a><img src="http://feeds.feedburner.com/~r/techbang/~4/9J4bBi6dj48" height="1" width="1" alt=""/>
