亚洲 a v无 码免 费 成 人 a v,性欧美videofree高清精品,新国产三级在线观看播放,少妇人妻偷人精品一区二区,天干天干天啪啪夜爽爽av

?現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)（AR）解釋量子衛(wèi)星。視頻時(shí)長3分23秒

從原理到應(yīng)用

深度解讀中國首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星

撰文 | 林梅（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)博士）

責(zé)編 | 陳曉雪

●　●　●

“如果能弄明白為什么會(huì)有量子糾纏，我立即死都愿意?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)教授潘建偉不久前在央視《開講啦》曾這樣表示。

?潘建偉在央視《開講啦》

20多年前，潘建偉因?qū)α孔恿W(xué)著迷而選擇了從事量子光學(xué)、量子信息和量子力學(xué)基礎(chǔ)問題檢驗(yàn)的研究。

“墨子”的升空，在科學(xué)上將進(jìn)一步檢驗(yàn)量子力學(xué)基本原理。

在人類科學(xué)史上，可能沒有一個(gè)學(xué)科像量子力學(xué)這樣，幾乎動(dòng)用了近代所有物理學(xué)家的智慧，其本質(zhì)仍在幽暗中閃爍，令人困惑。

“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論?！?/p>

說這話的人不是別人，是量子物理學(xué)大師級人物——尼爾斯·玻爾（Niels Henrik David Bohr）。

?尼爾斯·玻爾。來源：Wiki

在量子的世界里，盒子里的一只貓可以既死又活，直至我們打開盒子看看它；相距遙遠(yuǎn)的一對粒子可以存在“心靈感應(yīng)”，一個(gè)粒子的狀態(tài)隨另一個(gè)瞬時(shí)變化。前者，我們叫它“量子疊加”，而后者，則是“量子糾纏”。

量子態(tài)疊加是指粒子可以同時(shí)處于不止一種狀態(tài)的相干疊加。例如，同一時(shí)刻，電子自旋方向可以既是順時(shí)針又是逆時(shí)針，或者原子同時(shí)處于激發(fā)態(tài)和基態(tài)[2]。而量子糾纏是指，兩個(gè)微觀世界的粒子可以具有某種狀態(tài)上的關(guān)聯(lián)，無論它們距離多遠(yuǎn)，只要其中一個(gè)被測量到處于某種狀態(tài)，另一個(gè)也會(huì)在同時(shí)塌縮到某種狀態(tài)。

量子世界里這兩種帶有神秘色彩的性質(zhì)讓無數(shù)物理學(xué)家為之著迷。在探尋其本質(zhì)的道路上，世界上最頂尖的大腦共同推動(dòng)著量子物理革命的發(fā)生，經(jīng)典物理的大廈轟然倒塌。人類花了百年的時(shí)間，試圖探究量子世界的圖景。

1 量子密鑰的應(yīng)用

科學(xué)家現(xiàn)在還無從得知量子疊加的機(jī)制，但這一現(xiàn)象早已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)并走向應(yīng)用，其中，量子密鑰是發(fā)展最為迅猛的一個(gè)。

在人類的通信史上，信息傳遞得更快、更遠(yuǎn)、更安全、更高效，一直是人類追求的方向。而以量子理論為基礎(chǔ)的量子通信技術(shù)，以其絕對的保密性能，被看作是未來保障信息安全的有力工具。

所謂密鑰，顧名思義，就是用來加密和解密的密碼本，我們可以想象成用來加鎖和解鎖的鑰匙。

在傳統(tǒng)的密碼學(xué)中，采用的密鑰有兩種——公鑰和私鑰。私鑰是一種對稱密鑰——加密的人和解密的人用同一套密碼，好比加鎖和解鎖的人用同一把鑰匙。這種方法有一個(gè)致命缺陷，那就是即使不惜耗費(fèi)資源，一次一密，也很難保證這把鑰匙半路不被人偷看、復(fù)制。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，公鑰是更普遍的選擇，它是一種非對稱密鑰，加鎖和解鎖用的鑰匙不一樣，解密用的密碼需要對公鑰進(jìn)行大數(shù)分解之類的復(fù)雜算法才能得到，也就是說，這種秘鑰即使被竊聽復(fù)制也沒關(guān)系，它的安全性依賴于復(fù)雜的算法，理論上竊聽者破解起來需要成千上萬年。

但是隨著竊聽者計(jì)算能力的提高，特別是量子計(jì)算機(jī)一旦成為現(xiàn)實(shí)，這些復(fù)雜的算法破解起來很可能易如反掌。怎么辦？有量子計(jì)算機(jī)，就有量子密鑰。

與傳統(tǒng)私鑰不同的是，量子密鑰的密碼本再也偷不走，因?yàn)檫@種密碼本是由微觀量子態(tài)表示的量子密碼。

根據(jù)量子物理的基本原理，微觀量子態(tài)不可分割、不可克隆，就比如盒子里那只既死又活的貓，你一旦打開盒子看，貓就要么死要么活，再也不是原先那種既死又活的狀態(tài)了，這一性質(zhì)從原理上保證了量子密鑰的安全性。

以著名的BB84協(xié)議[3]為例，信息的發(fā)送方發(fā)送一個(gè)個(gè)單光子給接收方，接收方收到光子后，逐個(gè)進(jìn)行測量。對于微觀量子態(tài)來說，測量方式會(huì)影響測量結(jié)果，接收方只有用與發(fā)送方一致的測量方式，才能得到與發(fā)送方一致的結(jié)果。所以，接收方將接收每一個(gè)光子時(shí)的測量方法告訴發(fā)送方。發(fā)送方通過對比，保留下與自己測量方式相同的那些光子，告訴接收方，這就形成了量子密鑰。根據(jù)不可克隆原理，如果有人中途對光子進(jìn)行攔截和測量，會(huì)改變光子的狀態(tài)，竊聽行為也就無法得逞。

因此，到目前為止，量子通信實(shí)際上指的就是量子密鑰分配技術(shù)，也就是傳送密鑰。對通信雙方來說，只要交換并確認(rèn)共享了絕對安全、且隨時(shí)可以更換的密鑰，再用此密鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，那么即使在普通網(wǎng)絡(luò)上傳送理論上也是絕對安全的。

當(dāng)然，原理上的絕對安全不意味著實(shí)現(xiàn)起來完全沒有漏洞，實(shí)際使用中，光子源品質(zhì)好壞、探測器效率高低等等，都可能成為攻擊者的目標(biāo)。但這些都是技術(shù)層面上的問題，只要量子力學(xué)依然奏效，量子通信的絕對安全就值得期待。

2 星地量子通信與全球量子通信網(wǎng)絡(luò)

因?yàn)槿蚬饫w網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，基于光纖技術(shù)的量子通道是最容易建立的。但人們很快發(fā)現(xiàn)，光纖的衰減效應(yīng)成為量子通信技術(shù)向遠(yuǎn)距離發(fā)展難以逾越的門檻。

在經(jīng)典通信下，光纖信號的衰減可以通過放大器件進(jìn)行放大后傳輸，只要建立好中繼站，光纖網(wǎng)絡(luò)便可以遍布全球。但到了量子通信，由于信息載體是單個(gè)的光子，量子的不可復(fù)制性也決定了單光子的信號是不可放大的，由于光纖固有的光子損耗，光量子傳輸很難更遠(yuǎn)距離拓展。

基于自由空間[4]的量子通信技術(shù)則成為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)最優(yōu)選擇。

考慮到地球曲率、傳輸距離、大氣、天氣等影響，在地球表面，100公里級別的自由空間的量子密鑰分發(fā)幾乎已經(jīng)是極限，于是，基于低軌衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的量子通信可謂實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的最佳方案。

外太空的真空環(huán)境對光的傳輸來說是最好的媒介，幾乎不存在大氣引起的衰減和退相干效應(yīng)，利用衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)平臺，科學(xué)家們可以在地球上的任意兩點(diǎn)之間建立起量子信道，極大地?cái)U(kuò)展了光子的傳輸距離。

理論上，只要我們能夠?qū)崿F(xiàn)將光子傳出大氣層，配合星載平臺技術(shù)和光束精確定位技術(shù)，就有可能實(shí)現(xiàn)真正覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

3 中國首顆量子衛(wèi)星

由中國科學(xué)院院士潘建偉擔(dān)任首席科學(xué)家的中國首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，8月16日凌晨在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心由長征二號丁運(yùn)載火箭發(fā)射至高度為500公里的預(yù)定軌道，衛(wèi)星有效載荷包括量子糾纏源、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子密鑰通信機(jī)和量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)，共同完成糾纏光子的生成、發(fā)送、地面通信以及實(shí)驗(yàn)控制。

?廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。來源：qnet.ustc.edu.cn

同時(shí)，地面建設(shè)有四個(gè)量子通信地面站（南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站）和一個(gè)空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站（阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺），在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星控制中心的指揮和調(diào)度下，完成四項(xiàng)重要的科學(xué)實(shí)驗(yàn)：星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)、地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。

?地星量子隱形傳態(tài)。來源：qnet.ustc.edu.cn

其中，四個(gè)量子通信地面站主要參與量子密鑰分發(fā)和量子糾纏分發(fā)，前者需要借助高精度的捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，在地面與衛(wèi)星之間建立超遠(yuǎn)距離的量子信道，進(jìn)行衛(wèi)星與地面之間、基于誘騙態(tài)和基于糾纏的量子密鑰生成和分發(fā)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間以量子密鑰為核心的絕對安全的保密通信試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上，與光學(xué)地面站及其附屬的局域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的方式組建真正意義的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)；而后者，則需要衛(wèi)星上的量子糾纏光源同時(shí)向兩個(gè)地面站分發(fā)糾纏光子，在完成量子糾纏分發(fā)后，對糾纏光子同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的量子測量。通過對千公里尺度上量子糾纏態(tài)的觀測，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。

而西藏阿里站的主要任務(wù)是配合衛(wèi)星一起進(jìn)行量子隱形傳態(tài)研究。該實(shí)驗(yàn)將在量子存儲的幫助下，探索衛(wèi)星與地面之間真正意義遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)的可行性，在類空間條件下完成量子力學(xué)非定域性的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。

?西藏阿里地面站。來源：qnet.ustc.edu.cn

另外，衛(wèi)星在軌還將首次進(jìn)行洲際量子密鑰分發(fā)，衛(wèi)星產(chǎn)生成對糾纏態(tài)光子，并將它們中的一方發(fā)送至位于北京和維也納的地面站，進(jìn)而生成密鑰，連接中國和歐洲的量子通信網(wǎng)。

但是，在太空進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)難度相當(dāng)大，地面站和在軌的衛(wèi)星進(jìn)行通信，需要根據(jù)衛(wèi)星軌道和望遠(yuǎn)鏡的天文指向，在地面站和衛(wèi)星之間建立一個(gè)鏈路，地面站跟瞄要達(dá)到相當(dāng)高的精度，才能建立捕獲并維持穩(wěn)定的鏈路對準(zhǔn)，完成量子通信。在衛(wèi)星高速飛行的同時(shí)，如何保證衛(wèi)星上的兩個(gè)激光器同時(shí)瞄準(zhǔn)相距遙遠(yuǎn)的兩個(gè)地面站，并同時(shí)傳輸密鑰？這種衛(wèi)星與兩個(gè)地面站的高精度跟瞄在國際上也屬首次。此外，近衍射極限量子光發(fā)射、高保偏量子信號的偏振調(diào)制、高品質(zhì)的糾纏光子源等等，都是這顆衛(wèi)星的技術(shù)法寶。因此，這顆衛(wèi)星帶上天的是科研團(tuán)隊(duì)多學(xué)科、長時(shí)間在量子密鑰分發(fā)、多光子糾纏、量子隱形傳態(tài)等方面技術(shù)水平的集中體現(xiàn)。

4 “天地一體化”網(wǎng)絡(luò)初步建成

中國此次發(fā)射的量子衛(wèi)星主要任務(wù)是將地面上的量子糾纏實(shí)驗(yàn)“搬到”外層空間，即通過連接地面上的量子通信網(wǎng)，完成星地量子保密通信、星地量子糾纏分發(fā)、星地量子隱形傳態(tài)等實(shí)驗(yàn)。

可以說，這顆量子衛(wèi)星肩負(fù)著科學(xué)和技術(shù)的雙重使命。

從科學(xué)的角度說，量子糾纏和量子隱形傳態(tài)，是量子力學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中最“詭異”的現(xiàn)象，連愛因斯坦也為此困擾，稱之為“幽靈般的超距作用”。雖然量子通信體系速度無法突破光速，但兩個(gè)遙遠(yuǎn)糾纏粒子之間的“非局域”關(guān)聯(lián)，仍不時(shí)地試探著相對論的邊界。此次衛(wèi)星在軌，就是首次在大尺度的空間對量子理論進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)，即驗(yàn)證糾纏光子分開千公里的尺度后，是否依然保持糾纏特性，并千公里的尺度上通過測量貝爾不等式，檢驗(yàn)量子力學(xué)基本原理。

而從技術(shù)的角度，衛(wèi)星在軌的重要實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)就是完成星地量子保密通信。這是目前世界唯一的星地量子信道，下一步，通過衛(wèi)星將地面站、地面光纖網(wǎng)絡(luò)及其他地面終端連接，如果運(yùn)行順利，天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)將初步成為現(xiàn)實(shí)，人們有望實(shí)現(xiàn)全球量子密鑰初步業(yè)務(wù)化運(yùn)行。

完整的空地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)建，在國防、政務(wù)、金融和能源等領(lǐng)域?qū)⒙氏燃右詮V泛應(yīng)用，與經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，形成具有國際引領(lǐng)地位的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和下一代國家信息安全生態(tài)系統(tǒng)。

值得一提的是，“墨子”衛(wèi)星的此次洲際量子密鑰分發(fā)演示，也為國際同行開放了天地一體化實(shí)驗(yàn)平臺。國內(nèi)外同行均可申請使用衛(wèi)星與自建地面站開展各種方案的星地量子密鑰分發(fā)和提取的關(guān)鍵技術(shù)研究。

5 展望“全量子時(shí)代”

若要通過星地量子廣域網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的量子通信，一個(gè)可以預(yù)見的方案是：地面的局域網(wǎng)（比如實(shí)用化城域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)）可以利用量子中繼技術(shù)建立并實(shí)現(xiàn)傳輸和覆蓋，而在兩個(gè)區(qū)域之間利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)自由空間光量子傳輸和衛(wèi)星平臺的中繼，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)分隔遙遠(yuǎn)的地面光纖網(wǎng)絡(luò)的相互聯(lián)通。

更進(jìn)一步，未來若發(fā)射更多的量子通信衛(wèi)星，空間衛(wèi)星有望形成網(wǎng)絡(luò)，那時(shí)基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的全球化量子通信可能成為現(xiàn)實(shí)。通過衛(wèi)星組網(wǎng)，可以有效突破地影區(qū)限制，星載量子存儲、星間量子中繼、超遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)都可以通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

我們甚至可以大膽想象，有一天，互聯(lián)網(wǎng)將以量子計(jì)算機(jī)作為節(jié)點(diǎn)，通過量子信道進(jìn)行連接，量子網(wǎng)絡(luò)中傳送的信息大部分不再是經(jīng)典的0或1，而是由量子態(tài)，高效率的量子計(jì)算配合高保密的量子通信，“量子互聯(lián)網(wǎng)”得以實(shí)現(xiàn)。

雖然距離這一天還有很長的路要走，但是當(dāng)那一天到來的時(shí)候，我們的下一代回望過去也許會(huì)感嘆，自全球首顆量子衛(wèi)星“墨子”號升空始，基于衛(wèi)星的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)建成后，錦江春色，玉壘浮云，全世界的通信格局得以深刻改變。

參考注釋：

[1]貝爾不等式：1964年貝爾提出了一個(gè)強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)不等式。該定理在定域?qū)嵲谛缘募僭O(shè)下，對于兩個(gè)分隔的粒子同時(shí)被測量時(shí)其結(jié)果的可能關(guān)聯(lián)程度建立了一個(gè)嚴(yán)格的限制。這個(gè)不等式，可以用實(shí)際實(shí)驗(yàn)測量來對比定域?qū)嵲谡撆c標(biāo)準(zhǔn)量子物理的不同預(yù)測。人們可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測量貝爾不等式中某些要求的參數(shù)。如果測量結(jié)果符合貝爾不等式，那么就證明定域?qū)嵲谡撌钦_的，量子物理理論不完備，微觀世界中的量子行為有某些我們尚且不知道的隱變量；如果測量結(jié)果不符合貝爾不等式，則量子物理理論是完備的，不能簡單地用隱變量的理論來解釋量子現(xiàn)象，定域?qū)嵲谡撌遣徽_的。

[2]基態(tài)與激發(fā)態(tài)：原子或分子處于最低能級，電子在離核最近的軌道上運(yùn)動(dòng)，這種定態(tài)叫基態(tài)。原子或分子吸收一定的能量后，電子躍遷到較高能級但尚未電離的狀態(tài)，叫做激發(fā)態(tài)。

[3]BB84量子密碼協(xié)議是第一個(gè)量子密碼通信協(xié)議,由美國科學(xué)家Charles Bennett和加拿大蒙特利爾大學(xué)科學(xué)家Gilles Brassard于1984年創(chuàng)立，屬于量子密鑰分發(fā)的范疇，它基于單粒子載體，易于實(shí)現(xiàn)，安全性已被嚴(yán)格證明，是唯一被商業(yè)化實(shí)現(xiàn)的量子密鑰分發(fā)協(xié)議。

[4]指通過大氣而不是光纖傳送光信號的光通信系統(tǒng)?！白杂煽臻g”意指空氣，外空間，真空或類似的空間。