中国量子通信技术领跑世界

  日前,中国科学院在京召开消息宣布会对外发布,“墨子号”量子科学试验卫星提前并美满实现全体三大既定迷信目的,为我国在将来持续引领世界量子通讯技巧发展跟空间标准量子物理基础问题测验前沿研讨奠定了坚实的科学与技术基本。

  中国科学技术大学潘建伟教学及其共事彭承志等组成的研究团队,联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、渺小卫星立异研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、南京地理仪器有限公司、国家空间科学中央等,在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支撑下,利用“墨子号”量子科学实验卫星,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。两项成果于8月10日同时在线发表在国际威望学术期刊《天然》杂志上。这是继先前在国际上率先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发表在《科学》杂志之后,我国科学家利用“墨子号”量子卫星实现的空间量子物理研究另外两项重大打破。

  中国科学院院长、党组书记白春礼表示,“墨子号”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翻新制高点,成为国际同行的标杆,实现了“领跑者”的改变。

  量子保密通信是目前人类独一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式

  通信平安是国度信息保险和人类经济社会生涯的根本需要。千百年来,人们对通信安全的寻求从未结束。然而,基于盘算庞杂性的传统加密技术,在原理上存在着被破译的可能性。跟着数学和计算才能的一直晋升,经典密码被破译的可能性一劳永逸。

  潘建伟说:“通适量子通信可以解决这个问题。也就是说,把量子物理与信息技术相联合,应用量子调控技术,用一种革命性的方法对信息进行编码、存储、传输和把持,从而在确保信息安全、进步运算速度、提升丈量精度等方面冲破经典信息技术的瓶颈。”

  通常以为,量子通信重要研究内容包含量子密钥散发(量子保密通信)和量子隐形传态。

  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厉加密,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。

  “艰深来讲,量子密钥分发,就比如一个人想要传递秘密给另外一个人,需要把寄存秘密的箱子和一把钥匙传给接收方。接收方只有用这把钥匙翻开箱子,才能取到机密。不这把钥匙,别人无奈打开箱子,而且一旦这把钥匙被别人动过,传送者会立刻发现,原有的钥匙作废,再给一把新的钥匙,直到确保接收方自己拿到。”潘建伟说。

  那么,为什么钥匙被别人一碰,就能立刻被知晓呢?

  由于,科学家利用量子有多个叠加态的原理,用量子作为密钥。这样一来,一旦有人试图截获或测试量子密钥,就会转变量子状况,科学家便能立即从改变中发明有人动了钥匙。所以,利用量子不可克隆和不可宰割的特征,就能实现无前提安全的通信方式。

  量子通信的另一重要内容量子隐形传态,是利用量子纠缠特性可以将物资的未知量子态准确传送到遥远地点,而不必传送物质自身,通过隐形传输实现信息传递。远距离量子隐形传态是实现散布式量子信息处置网络的基本单元。

  外太空光信号损耗十分小,因而通过卫星的帮助可以大大扩展量子通信距离

  量子通信通常采用单光子作为物理载体,最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输。然而,这两种信道的损耗都随着距离的增添而指数增长。因为量子不可克隆原理,量子通信的信号不能像经典通信那样被放大,这使得之前量子通信的世界纪录为百公里量级。依据数据测算,通过1200公里的光纤,即便有每秒百亿发射率的单光子源和完善的探测器,也需要数百万年能力建立一个比特的密钥。因此,如何实现安全、长距离、可适用化的量子通信是该范畴的最大挑衅和国际学术界多少十年来斗争的独特目标。

  中国科学院上海技术物理研究所研究员,量子科学实验卫星工程常务副总师、卫星体系总指挥王建宇说:“利用外太空简直真空因此光信号损耗无比小的特色,通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信距离。同时,因为卫星存在便利覆盖全部地球的奇特上风,是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码和量子隐形传态最有盼望的道路。”

  从本世纪初以来,该方向已成为国际学术界剧烈角逐的焦点。潘建伟团队为实现星地量子通信开展了一系列前驱性的实验研究。

  2003年,潘建伟团队提出了利用卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的计划,随后于2004年在国际上首次实现了程度距离13公里(大于大气层垂直厚度)的自在空间双向量子纠缠分发,验证了穿过大气层进行量子通信的可行性。2011年底,中科院策略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式破项。2012年,潘建伟领衔的中科院结合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态,充足验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2013年,中科院联合研究团队在青海湖实现了模仿星地绝对活动和星地链路大损耗的量子密钥分发实验,全方位验证了卫星到地面的量子密钥分发的可行性。随后,该团队经由艰难攻关,战胜种种艰苦,终极胜利研制了“墨子号”量子科学实验卫星。“墨子号”卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射核心发射升空,经过4个月的在轨测试,2017年1月18日正式交付开展科学实验。

  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

  此次实现的星地高速量子密钥分发实验是“墨子号”量子卫星的科学目标之一。

  中国科学技术大学研究员,量子科学实验卫星科学利用系统总师、卫星系统副总师彭承志说:“量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号,地面吸收的方式。‘墨子号’量子卫星过境时,与河北兴旺地面光学站建立光链路,通信距离从645公里到1200公里。在1200公里通信距离上,星地量子密钥的传输效力比等同距离地面光纤信道高20个数目级(万亿亿倍)。卫星上量子欺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天生30万比特的安全密钥,均匀成码率可达1千1百比特每秒。”

  潘建伟表现,这一主要结果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了牢靠的技术基础。“以星地量子密钥分发为基础,将卫星作为可托中继,可以实现地球上任意两点的密钥共享,将量子密钥分发范畴扩大到覆盖寰球。此外,将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网(如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线)互联,能够构建笼罩全球的天地一体化保密通信网络。”

  地星量子隐形传态实验是“墨子号”量子卫星的另一个科学目标之一。

  “量子隐形传态实验采取地面发射纠缠光子、天上接受的方式,‘墨子号’量子卫星过境时,与海拔5100米的西藏阿里地面站树立光链路。地面光源每秒发生8000个量子隐形传态事例,地面向卫星发射纠缠光子,实验通信间隔从500公里到1400公里,所有6个待传递态均以大于99.7%的相信度超出经典极限。”彭承志说:“假设在同样长度的光纤中反复这一工作,须要3800亿年(宇宙年纪的20倍)才干观测到1个事例。这一重要成果为未来发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修等研究奠定了可靠的技术基础。”(吴月辉)

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