着眼未来,抢占信息社会战略制高点(国际视野)

冯江源  冯  骥

2017年01月12日04:17  来源:人民网-人民日报
 

  2016年8月,在酒泉卫星发射中心,量子卫星“墨子号”星罩组合体吊装,与运载火箭对接。
  新华社发

  科研人员模拟地面望远镜向量子卫星发射信标光。
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  美国量子信息与计算机科学联合中心的研究人员在讨论量子信息技术。
  资料图片

 

  随着2016年11月中旬“墨子号”量子卫星顺利完成在轨测试,正式开始科学实验,2016年底量子通信骨干网“京沪干线”全线贯通,我国将构建起全球首个天地一体化的实用性广域量子通信网络。当下,围绕量子科技领域的研发,美国、欧盟、日本等都在激烈拼夺,争相抢占创新制高点。一旦取得重大突破,相关国家及整个世界的经济、政治、安全格局都将为之改观

  

  构建天地一体化科学实验体系

  全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”的成功发射,使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建天地一体化的量子科学实验体系。

  “墨子号”在升空入轨后的未来两年里,卫星和地面站将共同执行三大科学任务:星地高速量子密钥分发、星地量子纠缠分发、星地量子隐形传态。其中,星地高速量子密钥分发,即在高精度捕获、跟踪、瞄准系统的辅助下,建立起卫星与地面之间超远距离的量子通道,实现卫星与地面之间的诱骗态量子密钥分发,开展无条件、安全的星地量子保密通信实验,量子密钥初始码产生率可达到约10Kbps,这就为建立全球范围的量子通信网络打下了技术基础。

  通过发射卫星来建立天地之间的量子通信网络,根本原因是由于地面信号传输多以光纤为媒介,传输过程中信号损失严重,光纤传输的量子通信信号在200公里以后就几乎被吸收殆尽。若想实现远距离的量子通信传输,就必须在地面设立多个信号中继站。

  而光或量子在穿透地球上空大气层的过程中其能量损失仅为20%,也就是说,天地之间虽然远隔成千上万公里,光或量子在其间传输损失却远远低于在地面光纤网络中传输的损耗。这样,利用太空中的量子卫星作为地面网络的中转站,并设法将地面多个城市中所建立的城际量子通信网络连接起来,由此便可极大地提高量子通信的效率。

  为了让“墨子号”升空入轨后顺利实施科研任务,人们早已在地面上建设了量子通信地面站,除了位于河北兴隆、青海德令哈等地的地面站外,还有位于西藏阿里的量子隐形传态实验站,它们与量子卫星一起共同构成了全匹配的天地一体化量子科学实验系统。再加上设在奥地利维也纳和格拉茨的地面站等,量子卫星及在地面建设的多个地面观测站,就俨然一体地协同组成了一张前所未有可整个覆盖地面和空间的无比巨大的实验网络。

  2016年底,全长约2000公里的广域量子通信骨干网络工程“京沪干线”交付使用,这一大尺度量子通信技术验证应用和示范平台既连接北京、上海,又贯穿济南、合肥等地,高安全、可拓展、军民融合,将成为全球已开通的最长量子保密通信骨干网络,为政府机关、金融机构等提供高安全通信服务。2016年11月,我国第二条量子保密通信干线“武合线”(武汉至合肥)正式签约开建。

  “墨子号”量子卫星与“京沪干线”的结合,初步构建起中国天地一体化的广域量子通信网络,更加有力地推动量子通信技术深入应用,从而快速形成对国家经济社会发展具有强劲拉动作用的战略性新兴产业。

  此外,“墨子号”还承担着对量子力学本身的基本原理进行检验的实验职能。量子纠缠态是量子力学中的一种经典现象,即在多粒子量子系统中,一对具有量子纠缠态的粒子,哪怕相隔极远,当其中一个出现状态改变时,另一个的状态也会立刻发生相应改变。这种现象通常又被称作“量子非定域性”,曾让爱因斯坦反复质疑,并引发了长期的争论和持续至今的各种检验。

  有科学家在地球表面相距100公里的两地间成功地验证了量子非定域性,但仍未做到严格无漏洞的终极检验。通过量子卫星直接把这类实验带到外层空间去做,将在世界上首次进行距离达千公里量级的量子非定域性实验检验,这对人类加深了解和认识量子力学的基础理论、探索大自然更深奥秘意义重大。

  量子卫星大大增强信息防御能力

  量子卫星所承担的科学实验涉及领域广泛,具备远大的开发应用前景,势必成为未来技术创新的又一重要源泉。“墨子号”的成功研制与发射,使我国进一步扩大了在量子通信领域的国际领先优势,继而有利于实现国家信息安全和信息技术水平的跨越式提升。量子卫星的发射是出于科学目的,客观地看,也可用于解决一些对中国信息主权的攻击和侵犯,减少甚至避免频繁的外来网络攻击,显著增强我国的信息防御能力。

  量子卫星还将大力推动“量子互联网”(包含有保密通信和大大超过传统互联网的分散计算能力)研究,我国计划在2030年前建立的量子卫星网络,无疑将升级地面量子计算机网络。如“天河二号”等性能最强大的超级计算机需100年才能处理的任务,一台量子计算机只需0.01秒就能完成。

  当然我们仍有大量工作要做,比如,需再继续发射将近20颗量子卫星、对太空和地面量子网络基础设施进行改造、制定各种通信标准等,只有形成全球性的一个个星座体系,才能全面建构起遍布世界各国的网络,也只有通过地面相应基础设施的重重配置,才能确保量子网络可分步按序连接到每一行业乃至千家万户。量子卫星的整个工程既需要量子传感、量子通信和量子计算等多方面的技术与手段来做保证,而且还必须达到捕获和跟踪情报、事件乃至现象的高精度以及与时间的精准同步,所有这些,都会涉及高精尖多项技术的集成以及最前沿多门学科的交叉。

  这种待建的量子卫星网络具备高技术新型手段,可用于空间情报、监视、侦察平台,战术预警和攻击评估;指挥、控制与通信系统;导航、定位与环境监测等。如果跨入到量子卫星通信阶段,不管民用、还是军事,其应用领域都很广阔,既会让传统信息产业发生彻底变更,并会推动新兴信息产业包括计算机产业、卫星通信业、数据库业、音像视听业等达到愈加效能高、速度快、产出大和安全绝对保障的结果。

  对众多产业具有全面拉动作用

  量子通信不仅是一种全新的加密通信手段,并将成为新一代信息网络安全解决方案的关键技术和日益普遍的电子服务安全基石,成为保障未来信息社会的重要基础之一。

  在容量大、质量好、覆盖面积广、快速灵敏、安全可靠等方面,量子信息技术正表现出比电子信息更加优越的特点。对未来“制天权”和“制信息权”的主动、牢靠掌握,不仅是一国政治、外交、军事的急需,也是一国经济必不可少的重要组成部分。

  量子信息技术对未来众多产业具有辐射和全面拉动作用。根据目前已掌握的量子技术看,量子信息技术不仅在提高运算速度和确保信息安全上突破传统信息技术的极限,而且还能实现超高精度的测量,使信息技术的先进性达到新水平;通过量子模拟手段,人们将可更深入认识世界复杂体系的物理机理,积极开展微观操控物质特性的活动,发现全新的物质形态;经大量研究证实,人类的基本生命过程及认知过程很可能同量子相干和量子纠缠直接相关;在量子尺度上进行能量调控,可实现能量愈加高效转换,确保人类社会日益增加的能源需求。      

  量子通信对整个信息技术和其他相关产业的驱导、拉动贡献,关键在于该种通信能具有绝对安全、超大信道容量、超高通信速率、可远距离传输等本领。因为量子密钥分发过程中,每个信息都依靠单个光子传送,使之具备不可分割、不可克隆的特性,如果在传输过程中一旦受到干扰就会改变状态,接受方便可以发现,从而充分保证传输内容绝密。量子通信远距离传输,通过远距离量子态隐形传输和纠缠分发来实现。如今,量子态隐形传输和纠缠分发已通过量子卫星与地面间的量子中继器而达到真正实用化。

  鉴于在自由空间光子损耗小,只要结合卫星帮助,将十分有可能在全球尺度上实现超远距离的量子通信和信息技术多样开发局面。以上各种技术既可以随时用来跟踪卫星和地面上的移动目标,往后亦能直接利用到以卫星为对象的跟瞄、通信和信息技术的其他开发项目。量子信息技术同空间技术产业、新能源技术产业、海洋技术产业等的贯通与渗透,前景广阔。

  上世纪90年代起,全球范围的量子信息、量子通信研发就接连取得了突破性成果。主要大国都在争前恐后地将量子通信技术当作本国最优先发展的战略性科技来对待,围绕量子科技进行激烈拼夺、争相抢占该方面创新的制高点。近些年,美国和俄罗斯都部署了大型量子加密计算发展计划;奥地利、德国、意大利等国,也都纷纷要求同中国一起协作开发量子科技。只要这些主导领域一旦取得重大突破,相关国家及整个世界的经济、政治、安全格局必将会为之再次改观。

  (作者单位分别为中国科学技术大学国际发展研究所、国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心)

  制图:蔡华伟


  《 人民日报 》( 2017年01月12日 23 版)

(责编:王吉全)

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