2016年8月国际上首颗量子科学实验卫星

2016年8月国际上首颗量子科学实验卫星的发射标志着人类探索量子世界更深层次的一步。量子科学不仅可能带来更准确的计量方法、更强大的计算效率,更重要的是有望解决人类面临的诸多难题,例如安全通讯、精密测量和量子计算等。本文将从技术原理、应用前景、实验方案三个方面为大家详细阐述该卫星的介绍及其意义所在。

技术原理

量子技术运用量子力学原理来开发新的工具和技术,促使科学研究呈现出新的面貌,改善传统技术和发明新的、更加安全的方法来进行信息处理和能量转换。这里先简单介绍量子力学：量子力学发现了电子在原子周围的分布概率和能量量子化现象；开发了在非固定时间内能对系统能量、动量和力学性质进行测量的方法,并发现了“不可区分球”和薛定谔猫等微观世界特有的现象。

2016年8月16日,在西昌卫星发射中心圆满发射了一颗量子通信卫星,也就是世界首颗量子科学实验卫星。这颗卫星用量子技术实现了对传输通道的保密,并将使用量子密钥分发协议从卫星上传输到地面站进行验证。之所以能实现传输通道的保密,是因为该卫星利用了量子纠缠的特性：两个量子比特之间的纠缠相互关联,卫星利用这种特性能够在传输过程中检测出黑客攻击,并且可以使被**的信息泄露***发生。

这颗卫星含有接收机以及量子真空实验、量子密钥分发和量子纠缠分发等设备,使得量子技术在对接收机和地面站之间进行通信时发挥了重要作用。此外,该卫星的主要技术包括可以在宇宙空间进行量子密钥分发的量子密钥分配、实现半导体内量子液滴自组装的量子点生长、两颗量子比特进行纠缠的量子纠缠等等。

应用前景

量子技术的应用可谓是非常广泛,不仅可以提高安全水平、改进计算方法、加速数据采集等,更是为医学、材料、天文等众多领域创造了前所未有的新机会1。

作为首颗量子通信卫星,卫星具备短距纠缠分发、嫁接卫星与地面长距离协议等多重科研任务。中科院上海量子所科研人员表示,卫星的优越性在于可将此前需要数百公里的中继,缩短到数千公里,距离极限可达1万千米2。之前我们都知道,量子通信的核心是安全,利用量子“一次一密”提供了完美的解决方案。如此高效快速的后端处理将加速未来各种信息设备的革新,例如改进搜索引擎算法、提高机器学习算法的效率、在医学研究中用于大规模数据处理等。这都有可能通过量子计算机等新的设备来实现。

2017年初,中科院计算所成果工程“申威云神·量子军团”上线,研究者通过将经典计算机和量子计算机有机结合来实现了一个能自我发展学习的AI程序。“量子技术使得创新的应用程序成为可能。” 中科院上海量子所所长光强教授表示3。

实验方案

如何开展量子实验计算和控制世界的纷繁复杂变化对于量子科学研究而言,是一个至关重要的问题。2016年8月,***总书记关于我国在“量子科学”领域取得重大突破的信中表示：“这次科研创新成功,紧紧咬住国际科技前沿,开展前沿探索,站在了新时代科技创新的前列,我们要守护“核心技术”的关键岗位,努力奔跑在世界科技前列的队伍中。” 引导下的国际量子通信卫星计划,采用了科技部国际合作重点专项的项目支持,通过科学院国际合作局、自然科学基金委员会和工程物理研究院研究院的协调和组织实施。

该实验方案的任务主要分三步,第一步使用半自主化方式,测试卫星的在轨元器件、输入输出端口连接等性能。

第二步,利用一部分固定调制晶体来测试量子位的测量和离散变量系统的纠缠。

第三步,测试高速量子密钥分发和卫星和地面站之间的未来信道保护销售市场区的量子恒古特征。这个特征是基于卫星上的光学系统处理了40万个分布式光纤复位单元传送的、以量子方式加密的图像1。

总而言之,2016年8月国际上首颗量子科学实验卫星的发射标志着人类探索量子世界更深层次的一步。量子科学不仅可能带来更准确的计量方法、更强大的计算效率；更重要的是,其应用前景中有望解决人类面临的诸多难题,例如安全通讯、精密测量和量子计算等。国际物理学家们都对于“惊人的成就”给予很高的赞扬,认为出现在这一领域是非常自然的,因为这是一个爆炸性增长的科学领域。未来,我们期待着量子技术能够带来更多的***性变化,成为人类社会发展的重要驱动力。