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量子科学实验卫星

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量子科学实验卫星（QUESS；中文：量子科学实验卫星；拼音：Liàngzǐ kēxué shíyàn wèixīng；书面语：“Quantum Experiments at Space Scale”），是量子物理领域的一个国际研究项目。

天宫二号是中国第二个空间实验室舱，于2016年9月15日发射。天宫二号总共执行14项任务[1]和实验方案，包括通过空间-地球量子密钥分发和激光通信实验来完成空间到地面的量子通信。[2]

继中国古代哲学家和科学家之后，被称为米修斯或墨子的卫星由中国科学院以及中国地面台站运营。维也纳大学和奥地利科学院正在运行这颗卫星的欧洲接收站。

QUESS是一个概念验证任务，旨在协助远距离量子光学实验以发展量子加密和量子隐形传态技术。量子加密利用纠缠原理来完成通信，这种通信完全安全，不会被第三方窃听，更不可能被解密。通过产生成对的纠缠光子，QUESS将能在相隔数千公里的地面站建立安全的量子信道。 QUESS本身的通信能力有限：它需要视线，并且只能在没有阳光的情况下工作。[3]

QUESS成功实现了它的目标。随后将会有更多的米修斯卫星，到2020年可以建成一个欧亚量子加密网络，到2030年可以建成一个全球网络。[3]

任务费用总共约为一亿美元。

1 任务编辑

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地面卫星接收站

最初的实验证明了在靠近乌鲁木齐市的新疆天文台和靠近北京的兴隆观测站之间的量子密钥分布(QKD)-这是一个大约2500公里（1600英里）的大圆弧距离。此外，QUESS在大约1200公里（750英里）的距离对贝尔不等式进行了验证-这个距离比迄今为止的任何实验都更远-并且在西藏自治区阿里的狮泉河镇天文台和卫星之间远距离传送光子态。这需要非常精确的轨道操纵和卫星跟踪，这样基站就可以与飞行器保持同一视线。

一旦中国境内的实验结束，QUESS在中国和奥地利维也纳量子光学和量子信息研究所之间建立了一个国际QKD通道——地面距离为7500公里（4700英里），在2016年实现了第一次洲际安全量子视频通话。[4]

1.1 发射

发射原定于2016年7月进行，但改期至8月，仅提前了几天发出了发射通知。[4]该航天器于2016年8月17日世界协调时17:40(当地时间01:40)从酒泉603发射台发射。[5]

1.2 多有效载荷任务

这次发射由QUESS，LiXing-1号研究卫星和西班牙³Cat-2号科学卫星共享的多有效载荷任务。

  • LiXing-1号：LiXIng-1号是一颗中国卫星，旨在通过将其轨道降低到100-150千米来测量上大气密度。它的质量是110 公斤。2016年8月19日，这颗卫星重返大气层，于此任务结束。
  • ³Cat-2号：³Cat-2号(拼写为“cube-cat-2”)是³Cat系列中的第二颗卫星，也是加泰罗尼亚理工大学纳米卫星实验室在加泰罗尼亚研制的第二颗卫星。这是一个6个单位的立方体卫星，携带一个用于地球观测的新型GNSS反射计（GNSS-R系列）的有效载荷。它的质量是7.1千克。

2 安全密钥分发编辑

QUESS上的主要仪器是“萨尼亚克效应”干涉仪。[5]这是一种产生成对纠缠光子的装置，允许每一对光子传输到地面。这将允许QUESS执行量子密钥分发(QKD)——将可用于加密和解密消息的安全加密密钥传输到两个地面站。理论上，QKD提供真正安全的通信。在QKD中，想要通信的双方共享一个随机密钥，该密钥使用以随机偏振的形式发送成对的纠缠光子进行传输，每一方接收该对光子的一半。然后，这个秘密密钥可以用作一次性密码，允许双方通过正常渠道安全通信。任何窃听钥匙的企图都会以可察觉的方式扰乱纠缠态。[5]量子密钥分配已经在地球上进行了尝试，包括在两个观测站之间建立直接的视线，以及使用光纤电缆传输光子。然而，光纤和大气都会引起散射，从而破坏纠缠态，这限制了实现QKD的距离。从轨道卫星发送密钥导致较少的散射，使得能够在更远的距离上执行QKD。[5]

此外，QUESS测试了量子力学的一些基本原理。贝尔定理表明，没有一个局域隐变量理论能够复现量子物理的预测，QUESS将能够在超过1200公里（750英里）的距离上测试局域原理 。[5]

3 分析编辑

QUESS首席科学家潘建伟告诉路透社 ，这个项目在国防领域有“巨大的前景”。[5]这颗卫星将提供北京和中国西部偏远地区新疆省会乌鲁木齐市之间的安全通信。[5]美国国防部认为，中国的目标是获得对抗敌方使用空间技术的能力。[5]中华人民共和国最高领导人习近平优先考虑中国的太空计划，包括反卫星导弹试验。纽约时报 指出，量子技术是中国政府在更早的时候制定的第十三个五年计划的重点。[6]华尔街日报 说这次发射使中国领先于竞争对手，并使他们更接近“防黑客通信”。[7] 几家媒体认为爱德华·斯诺登泄露美国监控文件推动了QUESS的发展,大众科学 称其为“后斯诺登时代的卫星”。[8][8][9]

4 类似项目编辑

QUESS是第一艘能够在太空中产生纠缠光子的航天器，[10]虽然通过卫星传输单个光子以前已经通过将地面站产生的光子反射离开轨道卫星得到了证明。[10]虽然没有产生完全纠缠的光子，但新加坡国立大学和思克莱德大学已经使用立方体卫星在空间中产生了相关的光子对。[10]一个德国财团对地球同步Alphasat激光通信终端的光信号进行了量子测量。[11]美国国防高级研究计划署(DARPA)于2012年启动了Q宏观量子通信项目，以促进端到端全球量子互联网的发展。

参考文献

  • [1]

    ^"Tiangong2". chinaspacereport.com. China Space Report. 28 April 2017. Retrieved 12 Nov 2017..

  • [2]

    ^huaxia (16 September 2016). "Tiangong-2 takes China one step closer to space station". chinaspacereport. Retrieved 12 November 2017..

  • [3]

    ^huaxia (16 August 2016). "China Focus: China's space satellites make quantum leap". Xinhua. Retrieved 17 August 2016..

  • [4]

    ^"First Quantum Satellite Successfully Launched". Austrian Academy of Sciences. 16 August 2016. Retrieved 17 August 2016..

  • [5]

    ^Lin Xing (16 August 2016). "China launches world's first quantum science satellite". Physics World. Institute of Physics. Retrieved 17 August 2016..

  • [6]

    ^Edward Wong (16 August 2016). "China Launches Quantum Satellite in Bid to Pioneer Secure Communications". New York Times. Retrieved 19 August 2016..

  • [7]

    ^Josh Chin (16 August 2016). "China's Latest Leap Forward Isn't Just Great—It's Quantum". Wall Street Journal. Retrieved 19 August 2016..

  • [8]

    ^"China's launch of quantum satellite major step in space race". Associated Press. 16 August 2016. Retrieved 17 August 2016..

  • [9]

    ^Lucy Hornby, Clive Cookson (16 August 2016). "China launches quantum satellite in battle against hackers". Retrieved 19 August 2016..

  • [10]

    ^Wall, Mike (16 August 2016). "China Launches Pioneering 'Hack-Proof' Quantum-Communications Satellite". Space.com. Purch. Retrieved 17 August 2016..

  • [11]

    ^Günthner, Kevin; Khan, Imran; Elser, Dominique; Stiller, Birgit; Bayraktar, Ömer; Müller, Christian R; Saucke, Karen; Tröndle, Daniel; Heine, Frank; Seel, Stefan; Greulich, Peter; Zech, Herwig; Gütlich, Björn; Philipp-May, Sabine; Marquardt, Christoph; Leuchs, Gerd (2016). "Quantum-limited measurements of optical signals from a geostationary satellite". arXiv:1608.03511 [quant-ph]..

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