信息安全的“终极武器”—— 量子卫星

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信息安全的“终极武器”—— 量子卫星

摘自：成也AI 败也AI

十四。太空来了不善之客

14.6 信息安全的“终极武器”—— 量子卫星(Quantum Experiments at Space Scale，简称QUESS)

                                     中国量子卫星独步全球

       量子通讯卫星是利用光子等量子的状态叠加和纠缠等基本物理原理实现的信息传输。超远距离传输，并彻底杜绝间谍窃听及破解的保密通信技术，抗衡外国的网络攻击与防御能力。
   
       量子卫星就是以量子信号bai做为卫星与地面之间数据传输媒介的卫星。其过程是量子信号从地面上发射并穿透大气层，卫星接收到量子信号并按需要将其转发到另一特定卫星，量子信号从该特定卫星上再次穿透大气层到达地球某个角落的指定接收地点。

       2016年8月16日，中国造量子卫星发射成功！是迄今为止运行轨道最低(100~150公里)、速度最快的人造近地轨道卫星,后续或部署20颗(2030年)。 这使得我国成为世界上首个实现太空和地面之间量子通信的国家，同时也建成了我国天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

      上天4年墨子号有意外收获卫星量子通信规模化可期

                                 有朝一日或许有助于建立一个极其安全的全球通信网络。bai

       以下是量子世界提供的认知的事实：

       量子传送  在量子状态下，两个纠缠的光子互为一组，互相关联，并且可以在一个地方神秘消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间神秘出现。量子传送利用的就是量子的这种特性。(诠释：它首先要在信息传递的“本地”和“远方”两地间建立量子纠缠，将要传递的“目标量子信息”与量子纠缠的本地方进行测量，远方的纠缠量子状态随即改变。不过这项技术要想成熟乃至商业化还有很长的距离。)1997年年底奥地利的一个研究小组首先在实验上演示成功了量子隐形传送，论文发表在《自然》上，引起国际学术界的极大兴趣。此后，有若干研究小组也相继在实验上实现了量子隐形传送。

       量子（Quantum）是一个在物理学中常用到的概念，指一个不可分割的基本个体。例如，“光的量子”（光子）是一定频率的光的基本能量单位。而延伸出的量子力学、量子光学等成为不同的专业研究领域。其基本概念为所有的有形性质是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的数值是离散的，而不是连续地任意取值。

       光量子（lightquantum）简称光子，是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子，在1905年由爱因斯坦提出。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。光子静止质量为零。光子以光速运动，并具有能量、动量、质量。光子的静止质量都不会超过10的负54次方千克（中国科学家罗俊等完成的新的实验），这一结果是之前已知的光子质量上限的1/20。

      光子从激光的相干光束中射出 如果光子存在静止质量，虽然不会影响到人们的日常生活，但其产生的后果将是根本性的———例如，光速将随波长的改变而变化，并且光波将像声波一样能够产生纵向振动。

       由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗，如果能够在技术上实现纠缠光子再穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性，人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信.  
         
      量子纠缠：量子物理说粒子即使相隔极远，也会保持相互连接，相互影响，在空间上可能分开。爱因斯坦称其为“幽灵般的超距作用”。

                                                             其实体类似于一种可拉伸的线 ，一头系在当前时空，一头以光速去到目标时空，光物质这条“绳子”如果能产生足够强大拉力，将遥远时空扭曲过来，那么穿越时空也就实现了！因此，量子也是科学史上最奇怪的一个学科，虽然技术上发展日新月异，但是在基础理论的解读方面现在仍然存在众多分歧，期待新的理论或者解读诞生.
        
                                                                         量子保密通信原理图（诠释：如果某个人试图在一端窃听，那么另一端就能检测到这种通信干扰）。

       每一个我们所认知的事实，其实都是由不能被当成真实的东西所构成的。——丹麦物理学家Niels Bohr（1885~11962）最近的研究和实验在触及量子世界的本质时，发现到所有我们认为是物质和真实的东西，其实都只是一种心智的讯息，是用游走在能量之海中的意识来编码后的产物。

                                           据中国科学院潘建伟院士介绍，量子通信的安全性基于量子物理基本原理，单光子的不可分割性和量子态的不可复制性保证了信息的不可窃听和不可破解，从原理上确保身份认证、传输加密以及数字签名等的无条件安全，可从根本上、永久性地解决信息安全问题。  
              
                               准精度 ——利用量子卫星通讯技术可以看清某个行星上的车辆牌照    墨子号卫星的轨道高度大约是500千米，在这样的高度卫星会以每秒7千米多的速度高速飞行，而墨子号发射的是单光子，这些光子需要被地面上的接收设备准确的接收到。从飞的很快的卫星上投出的光子要准确的投到接受设备上，需要非常高的对准精度。

       也许你会问，为啥不把卫星送到地球同步轨道，这样卫星就不是相对地面高速飞行了。把卫星送到同步轨道又会遇到另外一个问题，太阳光的噪音。墨子号卫星是在夜晚工作，白天的时候有强烈的太阳光，太阳光中有大量的光子，墨子号也发光子，这样就会有强烈的背景噪音。地球同步卫星的轨道半径高达三万六千多千米，在那样高的轨道上，一天24小时只有约0.57%的时间不会被太阳照到，故墨子号卫星选择了投放到较低轨道。

       当然，解决白天量子通信的问题已经有了一些进展，并进行了初步的实验，相信以后会实现全天24小时的不间断量子通信——难。

       纠缠分发，就是卫星要同时对准两个地面站，把纠缠光源分别发给两个地面站。量子通信的优点有目共睹，但是目前仍然存在着安全性和远距离传输两大难题。在此之前，国际学术界通过30多年的努力能够实现的点对点光纤量子密钥分发也就是百公里级。(诠释：量子密钥分配需要通过量子的手段在通信双方之间安全分发和共享随机密钥，一般用弱相干光源发射光子。把一个信息编码在一个光子上，一个光子有着不同的量子态，把光子通过光纤发射过去，接收方接到密钥后进行解码。这是产业化最成熟的技术。)中国在京沪干线为了实现城际光纤量子通信，共建了32个中断节点(诠释：地面站由光学、电子学的设备接收光路和单光子探测器、光学望远镜等——星地光学对接)，这些中断节点都需要人来保障，实际上仍然存在安全隐患。此次能通过“墨子号”卫星实现上千公里基于纠缠的密钥分发等于一次性解决了这两个痛点。

      在河北兴隆观测站,"墨子号"量子科学实验卫星过境,.. 拍的照片    (诠释：在量子卫星过境的时候，在过境后多幅照片合成一个图，里面这个绿光，你现在看到的是一条线，那是因为我们去拿相机拍摄的时候，由于在晚上拍摄，所以我们一般把曝光时间调到十秒到三十秒，所以从一个光点，因为曝光很长，所以它就是一条线，每一个十秒都拍一张照片，之后可以合成这样的照片。这个绿线就是我们从墨子号上面发下来的绿色的信标光，红色的光就是我们地面站，射向墨子号的红色的信标光。天上的卫星和地上的地面站两个东西对上眼以后，这个光学链路就建立起来了.)

                                    
      据潘建伟介绍，该研究团队利用“墨子号”作为量子纠缠源，通过对地面设施的升级达到了双边四倍接收效率的提升，首次完成通过“墨子号”卫星让新疆南山站与青海德令哈站的两个地面建立了光链路，两地距离为1120公里。不过，这次产生的量子密钥速度每秒只有2对，仍然难以达到实用化需要。这次试验等于实现了从0到1的飞跃，该团队正研制的卫星每秒能产生10亿个纠缠的光子，最终密钥成码率每秒能增加到几十比特，对于一些绝密或高密级信息传输已经足够用了。

                                          
      据报道，基于这项研制成果，中国高效的链路收集技术也获得了突破，量子卫星能从几百公斤降到几十公斤((诠释：两个翅膀是太阳能的电池板，这个卫星在天上自主轨道里飞以后，它所有的能源，这里面有激光器、姿态控制，所有的能源，电的能源、热控的能源，全部是靠这两个太阳能板来给它充电，里面有蓄电池。)，地面接收设备甚至能降到100公斤左右。
                                             
                            可以以纠缠的光粒形式发送和接收加密密钥的便携式通信设备      方便商业化应用。中国已经在规划建设量子卫星网络，未来覆盖全球的卫星网络能够实现每秒产生10亿对纠缠的光子，将达到实化用的目的。

       跨越时空的骰子（ 量子通信）——太科幻了。由于本人不识之无，想去了解这些专业技术，但具备的知识不足以读懂，还能说出1、2、3、4......吗？当然，不能。所以只好在在网络上找了一些图片和文字拼凑成文，是不是张冠李戴？至少在班门弄斧，丢人了！不过我的本意是想说我们的科学家不笨、在前沿科学实用化竞争中也有项目占得了先机！“墨子号”开启了中国绝对保密通信的里程碑，彻底杜绝间谍窃听及破解，同样是保障国家战略安全的重要技术突破， 值得我们骄傲。

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有话想说：

太科幻了！造假也无人知道。大锅里面捞一勺，也未必没有人？

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有话还想说：

把没有说成有，是骗人；把没有做成有，是能力。