中國的「墨子」衛星賦予間諜衛星新含意

搭載墨子號的長征二號丁火箭去年8月在酒泉發射基地升空 圖片版權 Getty Images
Image caption 搭載墨子號的長征二號丁火箭去年8月在酒泉發射基地升空

中國最近發射的新型太空飛船賦予了"間諜衛星"新含義。在理論上這種利用量子科學原理的新型衛星能夠提供無法被破解的保密通訊頻道。

這個名為"墨子"的衛星去年8月從中國西北的戈壁灘上發射,是第一個量子通訊衛星。

這是建設新型互聯網努力的一部分,這種新互聯網將來比現在的互聯網更加安全。

試驗衛星"墨子"攜帶精密的光學設備,繼續繞地球運行,並且向兩個距離1200公里的、建立在山頂的地面站發射信號。

衛星上的光學設備的用途是向地面站發送光的粒子或光子,其中加入"密匙"傳送加密信息。

在安徽合肥的這個項目的主要研究人員潘建偉說,中國已經開啟了世界量子太空競賽。

應用前景廣闊

量子保密技術在很多方面應該類似於現有的加密的網絡金融數據技術。

在客戶和網店分享敏感信息前,雙方要交換複雜的數字,以此把隨後發送的信息字碼打亂。信息裏面還包含了能夠安全破解信息的密匙。

但是數字本身的弱點是它能夠被截獲,在擁有足夠計算能力的情況下,這些數字能夠被破譯。但是量子加密十分超前,因為它能夠利用量子科學隱藏密匙。

量子力學的奠基人之一維爾納·海森堡90年前就認識到這點,測量或偵測量子系統,諸如測量光的一個原子或光子,都會出現不可控制和不可預測的結果,即改變整個系統。

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Image caption 試驗衛星"墨子"向兩個距離1200公里的、建立在山頂的地面站發射信號。

量子的不確定性讓進行秘密通訊的人知道他們是否受到了監視:監聽者的努力會擾亂整個通訊連接。

人們在上世紀80年代最初了解到了這個概念,後來這個概念又得到進一步發展。

在典型狀態下,光子是一對對被創造誕生的,像孿生量子一樣,無論他們被分開多長時間,發送了多遠,他們的量子特性保持不變。網店和顧客解讀光子就能得到用來加密的數字密匙。在監聽者偵測導致干擾的情況下,網店和顧客就得不到數字密匙和加密信息。

2008年在維也納建立的實驗室成功地使用電訊光纜穿越整個城市發送所謂的"糾纏光子"。但是即使最清晰透明的光纖,如果很長的話,相對光來說它們都是混濁的。去年中國建造了連接北京和上海的長達2000公里的光纖,其間每100公里就需要一個中繼站,但這些中繼站也成了未來量子黑客攻擊的薄弱環節。

蔡林格(Anton Zeilinger)解釋說,這也就是通過衛星進行量子通訊的原因。蔡林格在量子通訊領域進行了開創性研究,他也是維也納網絡的創立者。

他說"在地面,通過空氣,通過玻璃纖維,傳送超不過200公里。因此如果想遠距離傳送信號,就只能選擇在外層空間的衛星。"

在太空真空中,因為沒有原子,至少原子數量微乎其微,因此量子信號受到的干擾很少。

這就是為什麼中國的"墨子"衛星測試具有重要意義的原因。這種測試已經證明了在太空建立的網絡是可行的,這個結果發表在最近一期的科學雜誌上。

技術的傑作

但實際操作上實現上述構想並不容易。衛星每天,或每晚,只有在不到5分鐘時間裏穿越中國上空的500公里距離,因為太陽強光會輕易淹沒量子信號。"墨子"號衛星的精密光學設備產生至關重要的光子對,並向建在中國高山上的望遠鏡發射。

潘建偉在中國科技大學自己的辦公室對BBC記者說,他在2003年的時候有了上述設想,當時許多人認為那是個瘋狂的想法。他說,因為在實驗室裏做複雜的量子光纖實驗當時的挑戰性就很大,你怎麼能在幾千公里的距離作同樣的試驗,而且光學設備是被安裝在以每秒8公里速度飛行的衛星上面?

當衛星飛越中國上空的時候,用激光束指引衛星的光學設備,讓他們瞄凖地面基站。不過由於雲霧,塵埃和大氣波動干擾,衛星上發出的大部分光子不能到達目標,每秒產生的1000多萬對光子中只有一對能夠成功抵達。

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Image caption 潘建偉將同他從前的博士研究導師,維也納大學的蔡林格合作進行量子通訊研究

但是這就足以完成使命,使測試獲得成功。測試顯示到達地面的光子保留了加密通訊所需的量子特性。

數學家阿圖爾·埃克特也被中國的試驗觸動,他在發給BBC的電郵中說,"中國的試驗是很了不起的科技成就。" 埃克特上世紀90年代在牛津大學學習量子信息的時候就建議用配對光子加密的方法。他解嘲地說:"當時我建議過這種計劃,但我沒有想到這個計劃被提到如此的高度。"

新加坡國立大學的物理學者Alex Ling也在同一領域做研究,但他的首顆小型量子衛星在2014年發射後不久發生爆炸。他對"墨子"衛星大加讚揚:"試驗毫無疑問是技術上的神來之筆。"

按照中國研究的下一步計劃,潘建偉將同他從前的博士研究導師,維也納大學的蔡林格合作。他們要通過"墨子"衛星證明,在一個國家之內能夠實現的試驗目標也能在這個歐亞大陸實現。

潘建偉說他的研究團隊很快就去維也納開始做實驗。

與此同時蔡林格正在從事連接歐洲國家首都,維也納和布拉迪斯拉發的量子網絡建設工作,該網絡被稱作Qapital。該網絡利用了現有在數據網絡中的光纖,這些光纖成為該網絡的主要基礎。

他說,將來的量子互聯網將包括地面的光纖網絡,太空中的衛星將不同的光纖網絡連接起來。他認為這個構想將來會成為現實。

目前潘建偉已經開始凖備衛星布局的細節以完成上述實驗。

誰需要這個技術?間諜機構的工作就是保密,他們有的是預算。但是國際間每天進行萬億計交易的金融機構也需要保護他們的珍貴資源。

雖然一些觀察員對於是否有人願意為量子互聯網投資有保留,但是潘建偉和蔡林格以及其他科技人員認為一旦量子網絡問世,無人能抵禦其誘惑。

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