作者:潘建伟等 来源:《自然》 发布时间:2017/8/10 14:44:55
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突破天际:“墨子号”实现量子通信“三级跳”

 

北京时间8月10日凌晨1点在线出版的英国《自然》杂志上,两篇来自同一国家、同一科研团队的研究论文同时在线发表,量子科学实验卫星首席科学家、中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其同事的名字,两次出现在这期《自然》杂志上。论文一  论文二

这两篇论文,也同时宣告了两个“第一次”:完全由我国自主研制的世界上第一颗空间量子科学实验卫星——“墨子号”在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。

至此,连同先前在《科学》杂志发表的首次实现千公里级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验的研究成果,“墨子号”已圆满实现了三大既定科学目标。用潘建伟的话说,千公里级的星地双向量子通信,终于“从理想王国走到了现实王国”。

从天下地:绝对安全的“鸿雁传书”

信息安全是人类共同的追求。千百年来,人们对于通信安全的追求从未停止。然而,只要是基于计算复杂性的传统加密技术,在原理上就存在着被破译的可能。随着数学和计算能力的不断提升,经典密码被破译的可能性更是与日俱增。

与经典通信不同,量子密钥分发通过量子态的传输,在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥,利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密。“这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。”潘建伟说。

量子的不可克隆性让其成为绝对安全的通信方式,但也让量子信号不能像经典通信一样通过复制被放大,再加上地面传输信号的损耗非常大,因此之前地面上的量子通信,最远距离不过百公里量级。

为了更好地利用这把“双刃剑”,实现安全、长距离、可实用化的量子通信,潘建伟等人将目光投向了外太空。

“墨子号”量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号,地面接收的方式,“墨子号”量子卫星过境时,与河北兴隆地面光学站建立光链路,通信距离从645公里到1200公里。

实验结果显示,在1200公里通信距离上,星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高万亿亿倍。卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子,一次过轨对接实验可生成300千比特的安全密钥,平均成码率可达1.1千比特每秒。“这些密钥足够我们加载很多数据,例如在新疆和兴隆两个地面站之间进行加密的量子视频通话。”潘建伟解释称。

中科院上海技术物理研究所研究员,量子科学实验卫星工程常务副总师、卫星系统总指挥王建宇认为,这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。“比如,将来我们可以进行量子卫星组网,将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球;如果将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网互联,就可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。”

由地上天:通往未来的“任意门”

如果在北京工作的科学家要到上海去参加会议,有没有比飞机、火车更快的方式?如果未来人类要到太阳系以外旅行,但飞船飞得太慢怎么办?中国神话传说中的“顺风耳”、“千里眼”究竟能不能实现?

如果问一个小朋友这些问题,他也许会回答,用哆啦A梦的“任意门”。但现实世界真的能造出这样的“任意门”吗?潘建伟说,有可能。“墨子号”开展的地星量子隐形传态实验,证实了他的大胆想象。

量子隐形传态是量子通信的另一大重要内容,在理论上,利用量子纠缠的原理,人们可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点,而不用传送物质本身。

“墨子号”的量子隐形传态采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式,卫星过境时,与海拔5100m的西藏阿里地面站建立光链路。地面光源每秒产生8000个量子隐形传态事例,地面向卫星发射纠缠光子,实验通信距离从500公里到1400公里,所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限。

而根据测算,在同样长度的光纤中重复这一工作,则需要3800亿年才能观测到1个事例。

“远距离量子隐形传态是实现分布式量子信息处理网络的基本单元。”潘建伟说,“这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究,以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。”

领跑的“墨子号”

“墨子号”量子卫星全部三大既定科学目标的成功实现,为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。

《自然》杂志物理科学主编卡尔·齐姆勒斯(Karl Ziemelis)在评价这两项成果时说:“潘建伟和他的研究团队顺利完成了三项量子实验,这些实验将会是全球任何基于空间的量子网络的核心组成部分。这些实验中的量子技术已经突破了天空的限制,由于因为中国在物理学方面的投资与努力,该研究团队才能够将应用型量子通信技术方面的研究提升到如此的天文高度。”

作为中科院空间科学战略性先导科技专项在“十二五”期间支持的4颗科学卫星之一,“墨子号”从科学概念的提出到关键技术突破,从工程组织实施到科学成果的产出,均由中科院主导完成。

自2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空以来,“墨子号”就备受国内外高度关注,并入选了习近平总书记2017年新年贺词。今年1月18日,“墨子号”完成在轨测试,正式交付并开展科学实验。

令许多人没想到的是,仅仅半年过去,“墨子号”就接连取得了一系列全球领先的科学成果。在中科院院长白春礼看来,“墨子号”系列成果赢得了巨大国际声誉,标志着我国在量子通信领域的研究在国际上达到全面领先的优势地位。卫星全部既定科学目标的提前完成,为项目画上了一个圆满的句号。

“同时,‘墨子号’也开启了全球化量子通信、空间量子物理学和量子引力实验检验的大门,为我国在国际上抢占了量子科技创新制高点,成为了国际同行的标杆,实现了‘领跑者’的转变。”白春礼说。

实际上,领跑的“墨子号”所产生的聚合效应已经开始显现。目前,奥地利已经与中科院科研团队展开合作,德国、意大利等国家的科研团队也在申请加入合作研究。

而“墨子号”也马不停蹄地开启了下一段征程。目前,科研团队已制定了后续拓展实验计划,基于纠缠的量子密钥、全天时量子通信等实验,已经在紧张、顺利地进行中。白春礼期待着,在卫星设计寿命期内,这颗中国人的空间科学卫星,还能产生更多科学成果。(来源:科学网 丁佳)

 
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