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“墨子号”实现三大既定科学目标

2017-08-10 08:55 来源:光明日报 齐芳

  “墨子号”量子科学实验卫星与阿里量子隐形传态实验平台建立天地链路(2016年12月9日摄,合成照片)。新华社记者 金立旺摄

  “墨子号”量子科学实验卫星(以下简称“墨子号”)在国际上首次成功实现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,两项结果的科学论文10日在线发表于科学期刊《自然》杂志。今年6月,“墨子号”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,研究成果已发表于《科学》杂志(相关报道见本报6月17日一版)。至此,“墨子号”圆满实现预先设定的全部三大科学目标。

  中国科学院院长白春礼表示,这一成果将为我国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坚实的科学与技术基础。

  量子密钥分发:无法破译的安全通信

  中国科学技术大学常务副校长、“墨子号”量子卫星首席科学家潘建伟院士解释,所谓“量子密钥分发”,是指将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、不可破译的安全通信方式”。

  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。但是,这两种信道的损耗都会随着距离的增加而呈指数倍增加。传统的电磁波等通信方式是采用设立基站等方式来加强或放大信号,比如手机通信中每隔一段距离就要设立一个基站。但由于量子态不可克隆,因此不能采取这类方法。那么,该如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信?

  利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点,通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信距离。

  如今,这一尝试终于成功。

  据潘建伟介绍,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,“以星地量子密钥分发为基础,将卫星作为可信中继,可以实现地球上任意两点的密钥共享,将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。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、京沪干线等互联,可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络”。

  地星量子隐形传态:实现分布式量子信息处理网络的基本单元

  量子隐形传态是量子通信要解决的另一个基础问题。潘建伟介绍,量子隐形传态是利用量子纠缠可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点的特点,将其携带的信息传递给对方,而不用传送物质本身。他说:“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。”

  那么,是否能够在地面与卫星之间实现量子隐形传态,就成了量子通信中需要验证和解决的关键问题之一。

  据潘建伟介绍,在“墨子号”实验中,量子隐形传态采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式。他说:“‘墨子号’量子卫星过境时,与海拔5100米的西藏阿里地面站建立光链路。地面光源每秒产生8000个量子隐形传态信号,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(被测量值的可信程度)超越经典极限。”

  这充分说明量子通信卫星具有实用性,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希望的途径。潘建伟说,假设在同样长度的光纤中重复这一工作,需要3800亿年才能观测到1个量子隐形传态事例。他认为,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。

  四项研究将继续领跑量子通信

  “墨子号”于2016年8月16日成功发射,2017年1月18日在轨交付使用。据潘建伟介绍,原本这一实验的设计时间为两年,但在短短几个月时间内就完成了预期目标。未来,科学家们将给自己“加码”,进行更多的科学实验。

  潘建伟介绍,团队接下来将主要在四个方面开展进一步工作。

  第一,将与欧洲量子通信团队合作进行洲际量子密钥分发。潘建伟介绍,目前团队已顺利完成与奥地利格拉茨地面站的对接测试,正在开展量子密钥分发实验,接下来将验证是否具备洲际量子保密通话的条件。而德国和意大利等国也在积极申请,希望能够加入实验,洲际量子密钥分发合作也正在计划中。

  第二,将尝试量子通信与经典光通信相融合的安全信息传输。潘建伟介绍,从目前情况看,全部信息都用量子卫星传输不太现实。但可以将量子通信与经典光通信相结合——信息可以通过激光通信方式加密传输,但阅读信息的密码通过量子通信传输。

  第三,将开展卫星组网实验,实现高效的全球量子通信。潘建伟介绍,“墨子号”是低轨卫星,而且只有一颗,无法直接覆盖全球,而且只能在地影区,即在夜晚工作。中国科学技术大学研究员、量子卫星科学应用系统总师彭承志说:“研究团队在国际上首次成功实现地面白天远距离53公里自由空间量子密钥分发,这为未来突破地影区限制实现全球量子通信奠定了技术基础,进一步开展全天时量子通信是未来我们工作的方向之一。”

  第四,将开展基于纠缠的远距离量子密钥分发实验。潘建伟说,目前的量子密钥分发有一个潜在的危险:如果卫星被敌方控制,那么量子密钥就不可信了。“但如果是基于纠缠的量子密钥分发,就不存在这个问题。不管卫星被谁控制,就接收方来说,只要纠缠还在,就说明密钥信息是安全的。”潘建伟表示,如果这一目标实现,就如同两位量子密码理论的奠基人吉尔斯·布拉萨尔和奥图·厄科特所指出的那样——“将最终实现所有密码学者梦想数千年之久的圣杯。”

  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创新制高点,成为国际同行的标杆,实现了“领跑者”的转变。

(责任编辑:王蔚)

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