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“墨子号”:抢占量子科技创新制高点

作者:建筑工程
出处:www.lunrr.com
时间:2019-11-24

作者:吴月辉资料来源:人民日报发布日期:2017/8/10 12:20336048

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从卫星到地面,量子密钥分发;从地面到卫星,量子隐形传态

Mozi:抢占量子科技创新的制高点

日前,中国科学院在北京召开新闻发布会,宣布“Mozi”量子科学实验卫星已经提前并成功实现了所有三个既定的科学目标,为中国未来继续引领世界量子通信技术的发展,在空间尺度上审视量子物理基础问题的前沿研究奠定了坚实的科技基础。

研究小组由中国科技大学潘建伟教授及其同事彭承志组成,成员包括中国科学院上海理工大学王建宇研究所、微卫星创新研究所、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、南京天文仪器有限公司和国家空间科学中心等。在中国科学院空间科学战略试点科学项目的支持下,在世界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。这两个结果于8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》上。这是继此前在《科学》杂志上发表的研究成果之后,中国科学家利用墨子量子卫星实现空间量子物理研究的又两大突破,这是世界上第一个实现量子纠缠双向分布和数千公里恒星量子力学非局域性测试的研究成果。

中国科学院院长兼党委书记白李春说,“墨子”为全球量子通信、空间量子物理和量子重力实验检查打开了大门。它为我国占据了世界量子科技创新的制高点,成为国际同行的标杆,实现了“领导者”的转变。

量子安全通信是人类已知的唯一无条件和安全的通信方法,不能被窃听或破译。

通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本要求。几千年来,人们对通信安全的追求从未停止过。然而,基于计算复杂性的传统加密技术原则上有可能被解码。随着数学和计算能力的不断提高,经典密码被破解的可能性日益增加。

潘建伟说:“量子通信可以解决这个问题。换句话说,量子物理与信息技术相结合,量子控制技术被用来以革命性的方式编码、存储、传输和操纵信息,从而在保证信息安全、提高运算速度、提高测量精度等方面突破了经典信息技术的瓶颈。”

一般认为量子通信的主要研究内容包括量子密钥分发(量子安全通信)和量子隐形传态。

量子密钥分发使用量子状态传输在两个远程位置的用户之间共享无条件的安全密钥。使用这个密钥一次一个地严格加密信息是人类已知的唯一无条件和安全的通信方法,不能被窃听或破译。

“一般来说,量子密钥分发就像一个人想把秘密传递给另一个人,并且需要把秘密盒子和密钥传递给接收者。只有用这把钥匙打开盒子,接收者才能获得秘密。如果没有这把钥匙,其他人就不能打开盒子,一旦这把钥匙被其他人移动,发送者将立即发现原来的钥匙无效,并给出一把新钥匙,直到接收者自己得到它。”潘建伟说道。

那么,为什么有人一碰钥匙就能马上知道?

因为,科学家使用量子具有多重叠加态的原理,并使用量子作为密钥。这样,一旦有人试图截取或测试量子密钥,量子状态就会改变,科学家可以立即从改变中发现有人已经移动了密钥。因此,利用量子非克隆和非分段的特性,可以实现无条件的安全通信模式。

量子通信的另一个重要内容量子隐形传态(quantum transport),是利用量子纠缠特性,将未知的物质量子态准确传输到遥远的地方,而不是传输物质本身,通过隐形传态实现信息传输。远程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。

外层空间的光信号损耗非常小,所以量子通信距离可以通过卫星辅助大大扩展

量子通信通常使用单光子作为物理载体,最直接的方式是通过光纤或近地自由空间信道传输。然而,两个通道的损耗随着距离的增加呈指数级增加。由于量子不克隆的原理,量子通信的信号不能像经典通信那样被放大,这使得以前的量子通信世界纪录大约为100公里。根据数据计算,即使只有一个每秒发射100亿次的光子源和一个完美的探测器,也需要数百万年才能通过1200公里的光纤建立一个一位密钥。因此,如何实现安全、远程、实用的量子通信是该领域最大的挑战,也是国际学术界几十年来的共同目标。

中国科学院上海技术物理研究所研究员、量子科学实验卫星项目执行副总工程师、卫星系统总指挥王建宇说:“利用外层空间几乎真空、光信号损耗非常小的特点,量子通信距离可以在卫星的帮助下大大扩展。与此同时,由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势,它们是在全球范围内实现超长距离实用量子密码和量子隐形传态的最有希望的方法。”

自本世纪初以来,这一方向已成为国际学术界激烈竞争的焦点。潘建伟团队为实现星地量子通信进行了一系列开创性的实验研究。

2003年,潘建伟团队提出了利用卫星实现星间量子通信和构建全球量子安全通信网络的计划。随后,2004年,水平距离为13公里(大于大气层垂直厚度)的自由空间双向量子纠缠分布在世界上首次实现,验证了通过大气层进行量子通信的可行性。2011年底,中国科学院战略性科技试点项目“量子科学实验卫星”正式启动。2012年,以潘建伟为首的中国科学院联合研究小组在青海湖实现了首个100公里双向量子纠缠分布和量子隐形传态,充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2013年,中国科学院联合研究小组在青海湖进行了量子密钥分发实验,模拟了卫星与地球之间的相对运动和星地链路的大损耗,充分验证了星地量子密钥分发的可行性。后来,该团队在解决难题和克服各种困难后,成功研制了“墨子”量子科学实验卫星。墨子卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射。经过四个月的在轨测试,它于2017年1月18日正式交付进行科学实验。

为构建全球量子安全通信网络奠定了可靠的技术基础。

这次完成的星地高速量子密钥分发实验是墨子量子卫星的科学目标之一。

中国科技大学研究员、量子科学实验卫星科学应用系统总工程师、卫星系统副总工程师彭承志说:“量子密钥分发实验采用卫星传输量子信号和地面接收的方式。墨子量子卫星穿越边境时,与河北兴隆地面光站建立了光链路,通信距离为645公里至1200公里。在1200公里的通信距离上,卫星到地面量子密钥的传输效率比相同距离的地面光纤信道高20个数量级(万亿倍)。卫星上的量子诱饵态光源平均每秒发送4000万信号光子,在轨对接实验可以产生30万比特的安全密钥,平均编码速率为每秒1100比特。”

潘建伟表示,这一重要成就为构建覆盖全球的量子安全通信网络奠定了可靠的技术基础。“基于星地量子密钥分发,利用卫星作为可信中继可以实现地球上任意两点的密钥共享,并将量子密钥分发的范围扩大到全球。此外,将量子通信地面站与城际光纤量子安全通信网(如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线)连接起来,可以建设一个全球一体化的安全通信网络。”

地球之星量子隐形传态实验是墨子量子卫星的另一个科学目标。

“量子隐形传态实验采用在地面发射纠缠光子并在天空接收它们的方式。墨子量子卫星经过时,它与西藏海拔5100米的阿里地面站建立了光链路。地面光源每秒产生8000个量子隐形传态实例,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个隐形传态均超过经典极限,置信度大于99.7%”彭承志说:“假设这项工作在同样长度的光纤中重复进行,观察一个例子需要3800亿年(宇宙年龄的20倍)。这一重要成果为未来空间尺度量子通信网络的研究、空间量子物理和量子引力的实验验证奠定了可靠的技术基础。”

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