[科普中國]-千里糾纏、星地傳密、隱形傳態(tài)——“墨子號”搶占量子科技創(chuàng)新制高點

新華社北京８月９日電 題：千里糾纏、星地傳密、隱形傳態(tài)——“墨子號”搶占量子科技創(chuàng)新制高點

新華社記者 董瑞豐、徐海濤

人類能造出不可破解的密碼嗎？量子通信給出的答案是——能。

向身處遙遠兩地的用戶分發(fā)量子密鑰，利用該密鑰對信息采用一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前理論上不可竊聽、不可破譯的通信方式。中國科學(xué)院日前傳來最新消息：“墨子號”衛(wèi)星上天一年，已提前完成既定科學(xué)目標(biāo)，將“絕對保密”的量子通信從理論向?qū)嵱没俅瓮七M了一大步，并為我國未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

“我們在量子通信研究領(lǐng)域保持著領(lǐng)跑優(yōu)勢，但競爭日趨激烈?！敝锌圃涸洪L白春禮院士說，美國已經(jīng)發(fā)布了新的量子科研計劃，歐盟、日本也在加緊研究，在新一輪的科研比拼中，科研工作者將以時不我待的精神，艱苦奮斗、勇攀高峰。

提前完成三大科學(xué)目標(biāo)：千里糾纏、星地傳密、隱形傳態(tài)

８月１０日凌晨，中國科技大學(xué)潘建偉、彭承志團隊聯(lián)合中科院上海技物所等單位宣布，“墨子號”在國際上首次成功實現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。

這是繼今年６月實現(xiàn)千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學(xué)非定域性檢驗后，我國科學(xué)家利用“墨子號”實現(xiàn)的又兩項重大突破。

什么是量子密鑰？這得從量子特性和傳統(tǒng)信息加密技術(shù)的“瓶頸”說起。作為最小的、不可再分割的能量單位，量子具有不可克隆、“測不準(zhǔn)”等特性。用量子做成“密鑰”來傳遞信息，竊聽必然會被發(fā)現(xiàn)，且加密內(nèi)容不可破譯。

傳統(tǒng)的信息加密技術(shù)，依靠的是計算的“復(fù)雜性”，但隨著數(shù)學(xué)和計算能力的飛速提升，再復(fù)雜的加密算法也“很快”會被破解?；凇傲孔用荑€”的量子通信，則是一種“原理上無條件安全”的通信方式，也為破解信息加密“瓶頸”提供了解決方案。

去年８月升空的全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”，為通過太空“量子傳密”提供了可能。實驗表明，在１２００公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比地面光纖信道高１萬億億倍，衛(wèi)星平均每秒發(fā)送４０００萬個信號光子，一次實驗可生成３００千比特（ｋｂｉｔ）的密鑰，平均成碼率達１．１千比特/秒（ｋｂｐｓ）。

星地量子隱形傳態(tài)是“墨子號”的另一個重大科學(xué)目標(biāo)?！澳犹枴边^境時，與海拔５１００米的西藏阿里地面站建立光鏈路，地面光源每秒產(chǎn)生８０００個量子隱形傳態(tài)事例，從５００公里到１４００公里的距離向衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子。實驗表明，所有６個待傳送態(tài)均以大于９９．７％的置信度超越了經(jīng)典極限。

潘建偉院士說，至此，“墨子號”三大既定科學(xué)目標(biāo)均成功實現(xiàn)，為我國未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究，奠定了堅實的基礎(chǔ)。

又一個里程碑：為全球量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)

量子通信如何實現(xiàn)安全、長距離、可實用化，是最大的挑戰(zhàn)，全世界這一領(lǐng)域的科學(xué)家為之奮斗了幾十年。

最直接的方式是光纖傳輸。但由于量子很“脆弱”，用光纖傳輸?shù)木嚯x有限：量子通過地面光纖傳輸?shù)膿p耗很大，也不能像傳統(tǒng)通信一樣進行“信號放大”。

“光信號經(jīng)過外太空的損耗很小，可以擴展量子通信距離?！敝锌圃荷虾＜夹g(shù)物理研究所研究員、量子科學(xué)實驗衛(wèi)星工程常務(wù)副總師王建宇說，同時，由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個地球的獨特優(yōu)勢，是在全球尺度上實現(xiàn)超遠距離實用化量子密碼和量子隱形傳態(tài)最有希望的途徑。

從本世紀(jì)初以來，這個方向就成為國際學(xué)術(shù)界激烈角逐的焦點，但難度也非常大。王建宇曾打過一個比喻：星地之間的量子聯(lián)通有多難？就好比在萬米高空往地面的一個存錢罐里扔硬幣，需要準(zhǔn)確地將硬幣擲入儲蓄罐的狹小入口。

潘建偉團隊的研究一直走在世界前沿。對于此次公布的成果，《自然》的物理科學(xué)主編卡爾·濟耶梅利斯用“非常興奮”來形容：研究團隊用相互糾纏的光子安全傳送了至關(guān)重要的量子密鑰，“量子密鑰是保障通信極高保密性的關(guān)鍵”。

“這一成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。”潘建偉說，以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實現(xiàn)地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴展到覆蓋全球。

“將衛(wèi)星、地面站和城際光纖量子通信網(wǎng)互聯(lián)，可進一步構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)?！迸私▊フf。

量子隱形傳態(tài)雖然不是傳統(tǒng)意義上的“瞬間傳送”，但為未來開展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究以及空間量子物理學(xué)和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。“這些結(jié)果代表了遠距離量子通信持續(xù)探索中的重大突破”，《自然》雜志審稿人評價。

卡爾·濟耶梅利斯說，這兩篇論文的發(fā)表意味著潘建偉團隊順利完成了三項量子實驗的展示，這些實驗將會是全球任何基于空間的量子網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分。

國際引領(lǐng)地位：量子衛(wèi)星的聚合效應(yīng)顯現(xiàn)

隨著“墨子號”的全部既定科學(xué)目標(biāo)提前完成，這個項目畫上了一個圓滿句號，也開啟了全球化量子通信、空間量子物理學(xué)和量子引力實驗檢驗的大門。

潘建偉介紹，他的研究團隊正與歐洲量子通信團隊合作進行洲際量子密鑰分發(fā)，目前已順利完成和奧地利格拉茨地面站的對接測試，正在開展量子密鑰分發(fā)實驗，即將具備洲際量子保密通話的條件。德國、意大利等國的科研團隊也申請加入。

同時，研究團隊正在致力實現(xiàn)量子通信與經(jīng)典光通信相融合的安全信息傳輸。換句話說，就是讓量子保密技術(shù)與目前使用的傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)無縫鏈接。

未來的目標(biāo)還有很多：構(gòu)建完整的空地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系，形成具有國際引領(lǐng)地位的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和下一代國家信息安全生態(tài)系統(tǒng)，探索對廣義相對論、量子引力等物理學(xué)基本原理的檢驗……

“墨子號”取得的系列成果，贏得巨大國際聲譽，聚合效應(yīng)已經(jīng)顯現(xiàn)?！皹?biāo)志著我國在量子通信領(lǐng)域的研究，在國際上達到全面領(lǐng)先的優(yōu)勢地位?！卑状憾Y評價，為我國在國際上搶占了量子科技創(chuàng)新制高點，成為國際同行的標(biāo)桿，實現(xiàn)了“領(lǐng)跑者”的轉(zhuǎn)變。

據(jù)了解，“墨子號”量子衛(wèi)星是中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項在“十二五”期間支持的４顆科學(xué)衛(wèi)星之一，另３顆衛(wèi)星也都已成功發(fā)射。“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星、實踐十號返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星、“慧眼號”硬Ｘ射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星均獲得了大量科學(xué)數(shù)據(jù)，相關(guān)科學(xué)成果將陸續(xù)發(fā)布。

“通過這些項目的實施，力爭使我國在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更多的重大突破，同時帶動航天技術(shù)的發(fā)展，為將我國早日建成世界科技強國做出重要的、不可替代的貢獻。”白春禮說。

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