科学天地栏目—长篇纪实转载
中国登月工程—奔向月球
第二篇，嫦娥奔月之路
月宫科考的智能管家
嫦娥1号要去月宫巡游，探取月亮的宝贵信息。当她来到月球轨道时，地面上必须有一个“管家”告诉她怎样使用各种科学探测仪器，当她把探测的信息源源不断从九天之外发回地球时，地面上的这个“管家”要接收、处理和管理这些信息。这个“管家”连接着“天"与“地”，它就是探月工程中的地面应用系统。
地面应用系统这个“管家”是个“多面手”。它依据绕月探测工程的科学目标制定绕月工程的科学探测计划:指挥和操纵月球探测器上的科学探测仪器;确定月球探测器中有效载荷的工作模式和探测计划:根据科学目标对嫦娥1号的轨道和姿态提出控制指标。地面应用系统还承担了更重要的任务，它是惟一能接收嫦娥 1号探测的科学数据的系统，还要对这些从空间接收过来的科学数据进行存储、管理和发布:组织科学家进行科学数据分析、数据产品生产、科学数据应用和研究。最后，它还要推动月球探测的科学普及工作。
对于探月工程来说，地面应用系统既是探月工程科学探测的起点，又是体现科学目标的终点。说它是起点，因为探月工程的科学计划从这里确定;说它是终点，因为最终科学探测成果将从这里诞生。
地面应用系统的核心任务是进行数据处理，并最终完成绕月探测工程既定科学目标所规定的任务。为了能够实现预期的任务，它要调度探测器上有效载荷采集科学数据，控制地面接收天线接收科学数据，并依据一定的规则管理、处理、解译和分析科学数据。数据是连接地面应用系统各个部件的血液，了 解数据的处理流程，也就了解了地面系统。下面我们就以数据为纽带，对地面应用系统的工作特点进行介绍。
调度探测仪器采集数据这是地面应用系统一项非常 重要的工作。嫦娥1号在围绕月亮运行时，安放在嫦娥1号里的探测仪器是最忙碌的“器官”。这么多的仪器一起工作，会不会出现“撞车”现象?您的担心是有道理的，但却是不必要的，探测仪器的工作是“忙碌而不盲目”，能够保证仪器有序工作，对此进行指挥调度的就是我们的地面应用系统。比如照相机什么时候睁开眼睛工作，进行月球形貌数据采集什么时候闭上眼睛休息，都要通过地面应用系统发出指令。在地面东统内部执行这项调度任务的部门，我们称之为“运行管理分系统”，简称“OMS”。
运行管理分系统是地面应用系统的神经中枢，这里是嫦娥1号月球探测器在轨工作期间的运营指挥部。如前所述，运行管理分系统进行探测器有效载荷的调度管理，同时也是地面应用系统业务的运行.中枢。运行管理和操作人员使用这里的硬件与软件设备，对整个地面应用系统进行控制，并调度地面应用系统运行。在这个分系统的支持下，研究人员能够制定并分发各种计划，协调测控系统和整个地面应用系统的任务，直接或间接地监视、控制其他分系统和月球探测器有效载荷的工作，及时有效地完成预定的科学探测与实时数据接收、处理和各种探测产品的生成。研究人员还将在这里完成对月球探测器有效载荷的管理，以及天地对接试验和月球探测器的在轨测试。
接收探测数据在运行管理分系统的调度下，探测仪器进行了许许多多有用数据的采集，采集的数据经过探测器上的数据传输天线发回地面。嫦娥1号的数据传输天线有两个，- -个叫定向天线，顾名思义，是有指定方向的天线，这个指定方向就是地面的接收天线。另外一个天线是全向天线，是没有固定指向的天线。因为月球离我们有38万千米之遥，因此与人造地球卫星相比，月球探测器数据接收的难度之大是不言而喻的，主要困难来自于巨大的空间衰减、时间延迟、低|覆盖率等问题，因此在技术措施上需要采用大口径的接收天线，降低天线及接收机的噪声温度，并采用新的信源压缩方法和信道纠错编译码等通信技术，来改善信道传输质量。为了能够接收从遥远的探测器上传来的数据，地面应用系统建设了两座大口径天线(射电望远镜)，二座建立在北京密云水库的北岸，天线口径达到50米，是目前我国口径最大的数据接收天线:另座建设在云南昆明的风凰山上，是-座口径40米的大天线。这国家天文合地面应用系统总部两座大口径天线像两只巨大的眼睛，注意着嫦娥1号的一举动，把从嫦娥1号传送来的所有信息全部收集起来，通过与天线配套的接收机系统，送到一套落地存储系统中保存起来。在地面系统中，负责把数据接收下来的这两个天线及其相配套的接收和落地存储系统被称作“ 数据接收分系统”，简称“DAS”。
探测数据预先处理:
通过天线接收下来的信息，在落地存储系统中只是暂时存放，因为这些数据是一些二进制的数据，所以还需要进行数据的预先处理，把这些二进制数据转换成能够被广大科学家使用的图像、谱线等数据。这个过程在航天工程中常常称做数据的预处理”过程，完成这一使命的系统称为数
据预处理分系统，简称“DPS”。这个系统由一套大型计算机软硬件组成，该系统的最大特点就是实现全自动化作业，就像我们经常见到的作业流水线-一样，它把从月球探测器上接收下来的探测数据，按照预先图2- -34地面应用系统机房效果图设定的程序自动生产出合格的数据产品。
嫦娥1号探测器有效载荷有8种仪器，数据预处理分系统负责对8种仪器发回的原始数据进行预处理，生成处理程度不同的一级和二级数据产品， 这些产品就像工厂里的标准件一样， 是按照国际标准制定的数据格式，因此通常称为标准数据产品。
数据深加工:
通过一道类似于流水线作业的过程后，本来非常抽象的探测数据变成了广大科学家都能图2-35地面应用系统实验室效果图识别的标准数据产品。但这些产品还不能成为公众所能理解的成果，需要对这些数据产品进行“深加工”，把这些“标准件”加工成能够很直观地反映月球表面各种特征的图件，例如我们期望看到的月球表面“立体地图”.岩石类型分布图等。完成数据深加工作业的系统，在地面应用系统内部称为科学应用与研究分系统，简称“SAS"。
如前所述，科学应用与研究分系统完成数据的深加工任务，生产出公众能够接受的科学研究产品，是整个探月工程最后的一道工序。在这里，地面应用系统直接接受月球探测工程应用系统首席科学家的领导，组织全国的科学家和研究人员，对标准数据产品进行研究和应| 用(深加工)，把嫦娥1号传回的月亮上的信息转变成可以看得见，摸得着，形象生动的图件和文章，把嫦娥奔月的“故事”，以及“嫦娥”在月亮上的所“见”所“闻”，真实地再现给故乡的人们。
数据管理从数据接收开始，到数据的预处理和深加工，每一道工序都将产生大量的数据文件。如何把这些海量数据进行存储，以便随时调用和长期保存，是一门很大的学问。在地面应用系统中，有专门的分系统来完成这样的工作，这个分系统称为数据管理分系统，简称“DMS”。这个分系统是地面应用系统的“大管家”，是地面应用系统的服务与支撑体系。为了实现数据有序存储，方便查询和调用，必须要给每一个数据都起个名字， 用一个专业的词汇描述，这个起名的过程就是‘“数据编目”。 不要小瞧这个工作，这可是一-项 难度非常大的工作。名字起好了，就要把有了名字的数据分配到不同的“库房”里，这个过程就是数据存储。这个过程说来简单，可要实现就有很多的学问，比如存储有在线存储、近线存储和离线存储。在数据管理任务中，数据“取出”是数据管理中更为核心的内容。在“取”的过程中要涉及到“身份认证”，就像我们去仓库领东西，你必须要得到仓库管理员的认可，才能取出东西来。这个管理系统提供了自动身份识别功能，不仅如此，数据管理系统还把想调用数据的人，根据需要分成了不同的等级，只要你通过了身份认证，确认了你的等级，就能够根据自己的权限，获得相应的数据。
以上对地面应用系统的5个功能系统进行了简单介绍，从中不难看出，系统内部的5个分系统分工协作，构成了一个完整、协调的数据接收、处理和应用系统。我们可以对它们作个通俗的比喻:运行管理分系统是系统的指挥调度中心;，数据接收分系统是原材料收购站，负责收集系统所需的原材料，数据预处理分系统是一条 标准件生产流水线，负责生产不同领域专家都可以使用的标准数据产品;科学应用和研究分系统则是进行专门研究和专题产品生产的部门，对标准数据产品进行深层次加工，生产出用户所需要的不同产品;数据管理分系统则是一个大仓库， 负责分门别类存放各级各类数据产品，数据管理通过一个身份认证系统判断来访者的身份，并依据身份提供相应的产品和服务。
介绍到这里，可能读者想知道最终的探测成果是怎样产生的。我们用月球立体图的制作过程为例，对这一生产过程进行说明。当月球探测器进入正常的业务运行阶段后，首先由运行管理分系统根据月球探测器轨道和它的运行状态，制定出探测器的立体相机开关机时间，调动立体相机进行工作;立体相机工作后，把拍摄的图像数据通过探测器发射天线送回地球，在地面上由数据接收分系统的50米(北京密云)和40米(云南昆明)口径天线接收，然后这些数据在运行管理分系统的统一调度下， 送到设在北京的地面应用系统总部:在地面应用系统总部，这些数据被复制成两份，一份直接放 入数据管理分系统中进行存储，另外一份在运行管理分系统的调度下，送到数据处理中心进行处理;数据处理中心进行数据预处理和数据深加工，分别由数据预处理分系统和科学应用与研究分系统负责完成，数据的预处理要对数据进行辐射校正、光度校正、几何校正等一 系 列的处理，生产出0、1、2级数据产品，这些产品会随时被数据管理分系统储存到数据库中;完成数据预处理流程的数据，由科学应用与研究分系统组织更多的科学家和技术人员进行数据的进一步 研究和处理，通过图像的几何精校正、拼接等一系列过程， 最终生产出我们期望得到的月球立体地图。
中国登月工程—奔向月球
第二篇，嫦娥奔月之路
月宫科考的智能管家
嫦娥1号要去月宫巡游，探取月亮的宝贵信息。当她来到月球轨道时，地面上必须有一个“管家”告诉她怎样使用各种科学探测仪器，当她把探测的信息源源不断从九天之外发回地球时，地面上的这个“管家”要接收、处理和管理这些信息。这个“管家”连接着“天"与“地”，它就是探月工程中的地面应用系统。
地面应用系统这个“管家”是个“多面手”。它依据绕月探测工程的科学目标制定绕月工程的科学探测计划:指挥和操纵月球探测器上的科学探测仪器;确定月球探测器中有效载荷的工作模式和探测计划:根据科学目标对嫦娥1号的轨道和姿态提出控制指标。地面应用系统还承担了更重要的任务，它是惟一能接收嫦娥 1号探测的科学数据的系统，还要对这些从空间接收过来的科学数据进行存储、管理和发布:组织科学家进行科学数据分析、数据产品生产、科学数据应用和研究。最后，它还要推动月球探测的科学普及工作。
对于探月工程来说，地面应用系统既是探月工程科学探测的起点，又是体现科学目标的终点。说它是起点，因为探月工程的科学计划从这里确定;说它是终点，因为最终科学探测成果将从这里诞生。
地面应用系统的核心任务是进行数据处理，并最终完成绕月探测工程既定科学目标所规定的任务。为了能够实现预期的任务，它要调度探测器上有效载荷采集科学数据，控制地面接收天线接收科学数据，并依据一定的规则管理、处理、解译和分析科学数据。数据是连接地面应用系统各个部件的血液，了 解数据的处理流程，也就了解了地面系统。下面我们就以数据为纽带，对地面应用系统的工作特点进行介绍。
调度探测仪器采集数据这是地面应用系统一项非常 重要的工作。嫦娥1号在围绕月亮运行时，安放在嫦娥1号里的探测仪器是最忙碌的“器官”。这么多的仪器一起工作，会不会出现“撞车”现象?您的担心是有道理的，但却是不必要的，探测仪器的工作是“忙碌而不盲目”，能够保证仪器有序工作，对此进行指挥调度的就是我们的地面应用系统。比如照相机什么时候睁开眼睛工作，进行月球形貌数据采集什么时候闭上眼睛休息，都要通过地面应用系统发出指令。在地面东统内部执行这项调度任务的部门，我们称之为“运行管理分系统”，简称“OMS”。
运行管理分系统是地面应用系统的神经中枢，这里是嫦娥1号月球探测器在轨工作期间的运营指挥部。如前所述，运行管理分系统进行探测器有效载荷的调度管理，同时也是地面应用系统业务的运行.中枢。运行管理和操作人员使用这里的硬件与软件设备，对整个地面应用系统进行控制，并调度地面应用系统运行。在这个分系统的支持下，研究人员能够制定并分发各种计划，协调测控系统和整个地面应用系统的任务，直接或间接地监视、控制其他分系统和月球探测器有效载荷的工作，及时有效地完成预定的科学探测与实时数据接收、处理和各种探测产品的生成。研究人员还将在这里完成对月球探测器有效载荷的管理，以及天地对接试验和月球探测器的在轨测试。
接收探测数据在运行管理分系统的调度下，探测仪器进行了许许多多有用数据的采集，采集的数据经过探测器上的数据传输天线发回地面。嫦娥1号的数据传输天线有两个，- -个叫定向天线，顾名思义，是有指定方向的天线，这个指定方向就是地面的接收天线。另外一个天线是全向天线，是没有固定指向的天线。因为月球离我们有38万千米之遥，因此与人造地球卫星相比，月球探测器数据接收的难度之大是不言而喻的，主要困难来自于巨大的空间衰减、时间延迟、低|覆盖率等问题，因此在技术措施上需要采用大口径的接收天线，降低天线及接收机的噪声温度，并采用新的信源压缩方法和信道纠错编译码等通信技术，来改善信道传输质量。为了能够接收从遥远的探测器上传来的数据，地面应用系统建设了两座大口径天线(射电望远镜)，二座建立在北京密云水库的北岸，天线口径达到50米，是目前我国口径最大的数据接收天线:另座建设在云南昆明的风凰山上，是-座口径40米的大天线。这国家天文合地面应用系统总部两座大口径天线像两只巨大的眼睛，注意着嫦娥1号的一举动，把从嫦娥1号传送来的所有信息全部收集起来，通过与天线配套的接收机系统，送到一套落地存储系统中保存起来。在地面系统中，负责把数据接收下来的这两个天线及其相配套的接收和落地存储系统被称作“ 数据接收分系统”，简称“DAS”。
探测数据预先处理:
通过天线接收下来的信息，在落地存储系统中只是暂时存放，因为这些数据是一些二进制的数据，所以还需要进行数据的预先处理，把这些二进制数据转换成能够被广大科学家使用的图像、谱线等数据。这个过程在航天工程中常常称做数据的预处理”过程，完成这一使命的系统称为数
据预处理分系统，简称“DPS”。这个系统由一套大型计算机软硬件组成，该系统的最大特点就是实现全自动化作业，就像我们经常见到的作业流水线-一样，它把从月球探测器上接收下来的探测数据，按照预先图2- -34地面应用系统机房效果图设定的程序自动生产出合格的数据产品。
嫦娥1号探测器有效载荷有8种仪器，数据预处理分系统负责对8种仪器发回的原始数据进行预处理，生成处理程度不同的一级和二级数据产品， 这些产品就像工厂里的标准件一样， 是按照国际标准制定的数据格式，因此通常称为标准数据产品。
数据深加工:
通过一道类似于流水线作业的过程后，本来非常抽象的探测数据变成了广大科学家都能图2-35地面应用系统实验室效果图识别的标准数据产品。但这些产品还不能成为公众所能理解的成果，需要对这些数据产品进行“深加工”，把这些“标准件”加工成能够很直观地反映月球表面各种特征的图件，例如我们期望看到的月球表面“立体地图”.岩石类型分布图等。完成数据深加工作业的系统，在地面应用系统内部称为科学应用与研究分系统，简称“SAS"。
如前所述，科学应用与研究分系统完成数据的深加工任务，生产出公众能够接受的科学研究产品，是整个探月工程最后的一道工序。在这里，地面应用系统直接接受月球探测工程应用系统首席科学家的领导，组织全国的科学家和研究人员，对标准数据产品进行研究和应| 用(深加工)，把嫦娥1号传回的月亮上的信息转变成可以看得见，摸得着，形象生动的图件和文章，把嫦娥奔月的“故事”，以及“嫦娥”在月亮上的所“见”所“闻”，真实地再现给故乡的人们。
数据管理从数据接收开始，到数据的预处理和深加工，每一道工序都将产生大量的数据文件。如何把这些海量数据进行存储，以便随时调用和长期保存，是一门很大的学问。在地面应用系统中，有专门的分系统来完成这样的工作，这个分系统称为数据管理分系统，简称“DMS”。这个分系统是地面应用系统的“大管家”，是地面应用系统的服务与支撑体系。为了实现数据有序存储，方便查询和调用，必须要给每一个数据都起个名字， 用一个专业的词汇描述，这个起名的过程就是‘“数据编目”。 不要小瞧这个工作，这可是一-项 难度非常大的工作。名字起好了，就要把有了名字的数据分配到不同的“库房”里，这个过程就是数据存储。这个过程说来简单，可要实现就有很多的学问，比如存储有在线存储、近线存储和离线存储。在数据管理任务中，数据“取出”是数据管理中更为核心的内容。在“取”的过程中要涉及到“身份认证”，就像我们去仓库领东西，你必须要得到仓库管理员的认可，才能取出东西来。这个管理系统提供了自动身份识别功能，不仅如此，数据管理系统还把想调用数据的人，根据需要分成了不同的等级，只要你通过了身份认证，确认了你的等级，就能够根据自己的权限，获得相应的数据。
以上对地面应用系统的5个功能系统进行了简单介绍，从中不难看出，系统内部的5个分系统分工协作，构成了一个完整、协调的数据接收、处理和应用系统。我们可以对它们作个通俗的比喻:运行管理分系统是系统的指挥调度中心;，数据接收分系统是原材料收购站，负责收集系统所需的原材料，数据预处理分系统是一条 标准件生产流水线，负责生产不同领域专家都可以使用的标准数据产品;科学应用和研究分系统则是进行专门研究和专题产品生产的部门，对标准数据产品进行深层次加工，生产出用户所需要的不同产品;数据管理分系统则是一个大仓库， 负责分门别类存放各级各类数据产品，数据管理通过一个身份认证系统判断来访者的身份，并依据身份提供相应的产品和服务。
介绍到这里，可能读者想知道最终的探测成果是怎样产生的。我们用月球立体图的制作过程为例，对这一生产过程进行说明。当月球探测器进入正常的业务运行阶段后，首先由运行管理分系统根据月球探测器轨道和它的运行状态，制定出探测器的立体相机开关机时间，调动立体相机进行工作;立体相机工作后，把拍摄的图像数据通过探测器发射天线送回地球，在地面上由数据接收分系统的50米(北京密云)和40米(云南昆明)口径天线接收，然后这些数据在运行管理分系统的统一调度下， 送到设在北京的地面应用系统总部:在地面应用系统总部，这些数据被复制成两份，一份直接放 入数据管理分系统中进行存储，另外一份在运行管理分系统的调度下，送到数据处理中心进行处理;数据处理中心进行数据预处理和数据深加工，分别由数据预处理分系统和科学应用与研究分系统负责完成，数据的预处理要对数据进行辐射校正、光度校正、几何校正等一 系 列的处理，生产出0、1、2级数据产品，这些产品会随时被数据管理分系统储存到数据库中;完成数据预处理流程的数据，由科学应用与研究分系统组织更多的科学家和技术人员进行数据的进一步 研究和处理，通过图像的几何精校正、拼接等一系列过程， 最终生产出我们期望得到的月球立体地图。
我给你们讲个笑话，准备好你们的大牙[哈哈]。
别人信佛修道，都是为了可以解脱或得道，成仙成佛，下辈子就不用进入轮回了。而陈天真她信道修行永远都是一个想法：“我不想呆在这里，我要回去！”[允悲]
陈天真这样说，没有别的意思。她从小到大的经历让她很不喜欢这个世界，所以别人一问她：“你为什么要修行？” 她就下意识地说了这句话[太开心][偷笑]。
别人信佛修道，都是为了可以解脱或得道，成仙成佛，下辈子就不用进入轮回了。而陈天真她信道修行永远都是一个想法：“我不想呆在这里，我要回去！”[允悲]
陈天真这样说，没有别的意思。她从小到大的经历让她很不喜欢这个世界，所以别人一问她：“你为什么要修行？” 她就下意识地说了这句话[太开心][偷笑]。
【1120公里！“墨子号”再创佳绩 实现安全通信重要一步】1120公里！近日，“墨子号”量子科学实验卫星再立新功：科学家们利用“墨子号”作为量子纠缠源，向遥远的两地分发量子纠缠，在国际上首次实现了千公里级基于纠缠的量子密钥分发——为量子通信走向现实应用奠定了重要基础。
近日，科学家们利用“墨子号”在国际上首次实现了千公里级基于纠缠的量子密钥分发。该实验成果不仅将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级，更重要的是，通过物理原理确保了即使在卫星被他方控制的极端情况下，依然能够实现安全的量子通信，为量子通信走向现实应用奠定了重要基础。
该实验由中国科学技术大学潘建伟及其同事，联合牛津大学阿图尔·埃克特、中国科学院上海技术物理研究所王建宇团队、微小卫星创新研究院、光电技术研究所等相关团队一起完成。该成果已于近日在线发表在国际顶级学术期刊《自然》杂志上。
无条件安全的量子通信
量子是构成物质的最基本单元，是能量的基本携带者，无法被分割和复制。对于人们来说，所有大家所熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子，都统称为量子。通常，光子被用来制备量子。
所谓量子密钥分发，简单说，即在遥远两地的用户间生成并安全共享一组量子密钥，为所传输的二进制信息加密。这种量子通信方式之所以被科学家们寄予厚望，是因为除了信息的发送、接收方，如果有第三方试图复制或窃听量子密钥，则通信的双方便会立刻察觉。
这一新型通信方式的实现，正是基于量子叠加和不可复制的特性。根据经典物理学，一个客体，比如猫，其状态只有两种，要么是生，要么是死。但在量子世界中，这只猫却可以处于又生又死的叠加状态。不过，这种叠加态极其脆弱，一旦有人去测量，其状态（又生又死）马上就会发生改变，而不再是原来的那只猫了。换句话说，如果有人试图窃听量子密钥，需要事先测量传送密钥的量子状态，然而，脆弱的叠加态导致量子自身一旦被测量或者复制，就会立刻改变原有状态，从而被通信双方察觉。
“量子通信克服了经典加密技术内在的安全隐患，因为其安全性不依赖于计算复杂度，这是在原理上无条件安全的一种通信方式，一旦存在窃听必然被发现。”潘建伟说。
在潘建伟看来，量子密钥分发，就好比一个人想要传递秘密给另外一个人，需要把存放秘密的箱子与一把钥匙传给接收方。接收方只有用这把钥匙打开箱子，才能取到秘密。没有这把钥匙，别人无法打开箱子，而一旦这把钥匙被别人动过，传送者就会立刻发现——原有钥匙会作废，再给一把新的钥匙，直到确保接收方本人拿到。
“量子技术，其基本概念就是利用量子物理定律操纵微观物质，比如原子、分子和电子，从而获得宏观物质世界无法实现的功能，其中的量子密码学正是这篇论文所涉及的关键。理论上，经过量子加密的通信是无法被窃听的。”自然集团副总裁杨晓虹表示。
实际应用面临挑战
理想很丰满，现实很骨感。原理上无条件安全的量子通信，要从实验室走向广泛应用，仍面临两大挑战：一是远距离传输带来的信号损耗；二是现实器件，如光源、探测器等不完美带来的安全性漏洞。因此，要在现实条件下实现远距离的量子通信，并非听起来那么简单。
以信号损耗为例。科学家们一般使用单光子作为物理载体来传输密钥，但因为单光子信号不能被放大，再加上传输信道——光纤对单光子的吸收，随着传输距离的拉长，单光子信号损耗呈指数增长。通过30余年坚持不懈的努力，如今，国际学术界在实验室中将点对点光纤量子密钥分发的距离提高到了500公里。
如何实现更远距离的量子通信？使用可信中继是一个行之有效的方法。什么是可信中继？潘建伟认为可以理解为“接力跑”：单光子在光纤中从a地要跑到b地，可跑着跑着没力气了，这时就可以设置个值得信赖的节点让密钥“落地”一下，再由其他光子接着向前跑。比如，利用“墨子号”作为中继，中国科学家在自由空间信道实现了7600公里的洲际通信。
“理论上讲，只要没有人爬到卫星上去窃听，那么，我们的通信就是安全的。但是，这些中继节点的安全仍然需要得到人为保障。”潘建伟举了个例子：如果人们使用卫星作为中继节点，卫星就掌握着用户分发的全部密钥。如此一来，便带来了另外一个问题：假如这个卫星是别国制造的，就可能会存在信息泄露的风险。
那么，如何避免这一可能存在的潜在风险？2017年，“墨子号”首次实现千公里量级的自由空间量子纠缠分发，圆满完成了既定科学目标。此时，潘建伟萌生了一个新的想法：发射一颗卫星花了不少经费，可不可以尝试一下利用“墨子号”作为量子纠缠源，而不是量子密钥的中继点，实现基于纠缠的远距离量子密钥分发？
基于纠缠的量子密钥分发的原理是，无论处于纠缠状态的两个粒子之间相隔多远，只要测量了其中一个粒子的状态，另一个粒子的状态也会相应确定。“利用这一特性，我们可以在遥远两地的用户间直接生成并安全共享一组量子密钥，为所传输的二进制信息加密。”潘建伟表示。
实现安全通信重要一步
向着科学的高峰努力奔跑，基于“墨子号”量子卫星的前期实验工作与技术积累，研究团队通过对地面望远镜主光学与后光路进行升级，实现了单边双倍、双边四倍接收效率的提升。
有了技术的支撑，“墨子号”量子卫星过境时，同时与新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站两个地面站建立光链路，以每秒2对光子的速度在地面超过1120公里的两个站之间建立量子纠缠，进而在有限码长下以每秒0.12比特的最终码速率产生密钥。
“在该实验中，卫星作为量子纠缠源，只负责分发量子纠缠，不掌握量子密钥的任何信息；用户间的密钥是通过量子纠缠直接产生的，不再需要卫星的中转。”潘建伟说，由于对纠缠粒子的测量最后是由用户端来进行，根据量子纠缠特性，即使纠缠源由不可信的他方提供，只要用户间最终检测到量子纠缠，就可以产生安全的密钥。所以，量子通信源端不完美带来的安全问题可以得到完全解决，最终确保了量子通信的现实安全性。
对此，《自然》杂志审稿人称赞该工作，“不依赖可信中继的长距离纠缠量子密钥分发协议的实验实现是一个里程碑。”潘建伟坦言，刚发射“墨子号”卫星时，自己也不敢幻想能取得今天的成果，一路“边走边下蛋”，最终有了这一重要科研突破。“然而，这次科研成果目前只是科学上的原理演示，距离实际应用仍有很长的路要走。”潘建伟说。
关于下一步的发展，他说，结合最新发展的量子纠缠源技术，未来卫星上可每秒产生10亿对纠缠光子，最终密钥成码率将提高到每秒几十比特或单次过境几万比特。届时，安全的量子通信的梦想将有望照进现实。链接: https://t.cn/A6Lg6n07
近日，科学家们利用“墨子号”在国际上首次实现了千公里级基于纠缠的量子密钥分发。该实验成果不仅将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级，更重要的是，通过物理原理确保了即使在卫星被他方控制的极端情况下，依然能够实现安全的量子通信，为量子通信走向现实应用奠定了重要基础。
该实验由中国科学技术大学潘建伟及其同事，联合牛津大学阿图尔·埃克特、中国科学院上海技术物理研究所王建宇团队、微小卫星创新研究院、光电技术研究所等相关团队一起完成。该成果已于近日在线发表在国际顶级学术期刊《自然》杂志上。
无条件安全的量子通信
量子是构成物质的最基本单元，是能量的基本携带者，无法被分割和复制。对于人们来说，所有大家所熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子，都统称为量子。通常，光子被用来制备量子。
所谓量子密钥分发，简单说，即在遥远两地的用户间生成并安全共享一组量子密钥，为所传输的二进制信息加密。这种量子通信方式之所以被科学家们寄予厚望，是因为除了信息的发送、接收方，如果有第三方试图复制或窃听量子密钥，则通信的双方便会立刻察觉。
这一新型通信方式的实现，正是基于量子叠加和不可复制的特性。根据经典物理学，一个客体，比如猫，其状态只有两种，要么是生，要么是死。但在量子世界中，这只猫却可以处于又生又死的叠加状态。不过，这种叠加态极其脆弱，一旦有人去测量，其状态（又生又死）马上就会发生改变，而不再是原来的那只猫了。换句话说，如果有人试图窃听量子密钥，需要事先测量传送密钥的量子状态，然而，脆弱的叠加态导致量子自身一旦被测量或者复制，就会立刻改变原有状态，从而被通信双方察觉。
“量子通信克服了经典加密技术内在的安全隐患，因为其安全性不依赖于计算复杂度，这是在原理上无条件安全的一种通信方式，一旦存在窃听必然被发现。”潘建伟说。
在潘建伟看来，量子密钥分发，就好比一个人想要传递秘密给另外一个人，需要把存放秘密的箱子与一把钥匙传给接收方。接收方只有用这把钥匙打开箱子，才能取到秘密。没有这把钥匙，别人无法打开箱子，而一旦这把钥匙被别人动过，传送者就会立刻发现——原有钥匙会作废，再给一把新的钥匙，直到确保接收方本人拿到。
“量子技术，其基本概念就是利用量子物理定律操纵微观物质，比如原子、分子和电子，从而获得宏观物质世界无法实现的功能，其中的量子密码学正是这篇论文所涉及的关键。理论上，经过量子加密的通信是无法被窃听的。”自然集团副总裁杨晓虹表示。
实际应用面临挑战
理想很丰满，现实很骨感。原理上无条件安全的量子通信，要从实验室走向广泛应用，仍面临两大挑战：一是远距离传输带来的信号损耗；二是现实器件，如光源、探测器等不完美带来的安全性漏洞。因此，要在现实条件下实现远距离的量子通信，并非听起来那么简单。
以信号损耗为例。科学家们一般使用单光子作为物理载体来传输密钥，但因为单光子信号不能被放大，再加上传输信道——光纤对单光子的吸收，随着传输距离的拉长，单光子信号损耗呈指数增长。通过30余年坚持不懈的努力，如今，国际学术界在实验室中将点对点光纤量子密钥分发的距离提高到了500公里。
如何实现更远距离的量子通信？使用可信中继是一个行之有效的方法。什么是可信中继？潘建伟认为可以理解为“接力跑”：单光子在光纤中从a地要跑到b地，可跑着跑着没力气了，这时就可以设置个值得信赖的节点让密钥“落地”一下，再由其他光子接着向前跑。比如，利用“墨子号”作为中继，中国科学家在自由空间信道实现了7600公里的洲际通信。
“理论上讲，只要没有人爬到卫星上去窃听，那么，我们的通信就是安全的。但是，这些中继节点的安全仍然需要得到人为保障。”潘建伟举了个例子：如果人们使用卫星作为中继节点，卫星就掌握着用户分发的全部密钥。如此一来，便带来了另外一个问题：假如这个卫星是别国制造的，就可能会存在信息泄露的风险。
那么，如何避免这一可能存在的潜在风险？2017年，“墨子号”首次实现千公里量级的自由空间量子纠缠分发，圆满完成了既定科学目标。此时，潘建伟萌生了一个新的想法：发射一颗卫星花了不少经费，可不可以尝试一下利用“墨子号”作为量子纠缠源，而不是量子密钥的中继点，实现基于纠缠的远距离量子密钥分发？
基于纠缠的量子密钥分发的原理是，无论处于纠缠状态的两个粒子之间相隔多远，只要测量了其中一个粒子的状态，另一个粒子的状态也会相应确定。“利用这一特性，我们可以在遥远两地的用户间直接生成并安全共享一组量子密钥，为所传输的二进制信息加密。”潘建伟表示。
实现安全通信重要一步
向着科学的高峰努力奔跑，基于“墨子号”量子卫星的前期实验工作与技术积累，研究团队通过对地面望远镜主光学与后光路进行升级，实现了单边双倍、双边四倍接收效率的提升。
有了技术的支撑，“墨子号”量子卫星过境时，同时与新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站两个地面站建立光链路，以每秒2对光子的速度在地面超过1120公里的两个站之间建立量子纠缠，进而在有限码长下以每秒0.12比特的最终码速率产生密钥。
“在该实验中，卫星作为量子纠缠源，只负责分发量子纠缠，不掌握量子密钥的任何信息；用户间的密钥是通过量子纠缠直接产生的，不再需要卫星的中转。”潘建伟说，由于对纠缠粒子的测量最后是由用户端来进行，根据量子纠缠特性，即使纠缠源由不可信的他方提供，只要用户间最终检测到量子纠缠，就可以产生安全的密钥。所以，量子通信源端不完美带来的安全问题可以得到完全解决，最终确保了量子通信的现实安全性。
对此，《自然》杂志审稿人称赞该工作，“不依赖可信中继的长距离纠缠量子密钥分发协议的实验实现是一个里程碑。”潘建伟坦言，刚发射“墨子号”卫星时，自己也不敢幻想能取得今天的成果，一路“边走边下蛋”，最终有了这一重要科研突破。“然而，这次科研成果目前只是科学上的原理演示，距离实际应用仍有很长的路要走。”潘建伟说。
关于下一步的发展，他说，结合最新发展的量子纠缠源技术，未来卫星上可每秒产生10亿对纠缠光子，最终密钥成码率将提高到每秒几十比特或单次过境几万比特。届时，安全的量子通信的梦想将有望照进现实。链接: https://t.cn/A6Lg6n07
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