千里纠缠、星地传密、隐形传态 —— “墨子号”抢占量子科技创新制高点

2017年08月10日 11:44 来源:中新网安徽 ◇

  人类能造出不可破解的密码吗?量子通信给出的答案是——能。

  向身处遥远两地的用户分发量子密钥,利用该密钥对信息采用一次一密的严格加密,这是目前理论上不可窃听、不可破译的通信方式。中国科学院日前传来最新消息:“墨子号”卫星上天一年,已提前完成既定科学目标,将“绝对保密”的量子通信从理论向实用化再次推进了一大步,并为我国未来继续引领世界量子通信技术发展奠定坚实基础。

  “我们在量子通信研究领域保持着领跑优势,但竞争日趋激烈。 ”中科院院长白春礼院士说,美国已经发布了新的量子科研计划,欧盟、日本也在加紧研究,在新一轮的科研比拼中,科研工作者将以时不我待的精神,艰苦奋斗、勇攀高峰。

  提前完成三大科学目标:千里纠缠、星地传密、隐形传态

  8月10日凌晨,中国科技大学潘建伟、彭承志团队联合中科院上海技物所等单位宣布,“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。

  这是继今年6月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后,我国科学家利用“墨子号”实现的又两项重大突破。

  什么是量子密钥?这得从量子特性和传统信息加密技术的“瓶颈”说起。作为最小的、不可再分割的能量单位,量子具有不可克隆、“测不准”等特性。用量子做成“密钥”来传递信息,窃听必然会被发现,且加密内容不可破译。

  传统的信息加密技术,依靠的是计算的“复杂性”,但随着数学和计算能力的飞速提升,再复杂的加密算法也“很快”会被破解。基于“量子密钥”的量子通信,则是一种“原理上无条件安全”的通信方式,也为破解信息加密“瓶颈”提供了解决方案。

  去年8月升空的全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”,为通过太空“量子传密”提供了可能。实验表明,在1200公里通信距离上,星地量子密钥的传输效率比地面光纤信道高1万亿亿倍,卫星平均每秒发送4000万个信号光子,一次实验可生成300千比特(kbit)的密钥,平均成码率达1.1千比特/秒(kbps)。

  星地量子隐形传态是“墨子号”的另一个重大科学目标。 “墨子号”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个量子隐形传态事例,从500公里到1400公里的距离向卫星发射纠缠光子。实验表明,所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越了经典极限。 潘建伟院士说,至此,“墨子号”三大既定科学目标均成功实现,为我国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,奠定了坚实的基础。

  又一个里程碑:为全球量子保密通信网络奠定基础

  量子通信如何实现安全、长距离、可实用化,是最大的挑战,全世界这一领域的科学家为之奋斗了几十年。

  最直接的方式是光纤传输。但由于量子很“脆弱”,用光纤传输的距离有限:量子通过地面光纤传输的损耗很大,也不能像传统通信一样进行“信号放大”。

  “光信号经过外太空的损耗很小,可以扩展量子通信距离。 ”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王建宇说,同时,由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势,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。

  从本世纪初以来,这个方向就成为国际学术界激烈角逐的焦点,但难度也非常大。王建宇曾打过一个比喻:星地之间的量子联通有多难?就好比在万米高空往地面的一个存钱罐里扔硬币,需要准确地将硬币掷入储蓄罐的狭小入口。

  潘建伟团队的研究一直走在世界前沿。对于此次公布的成果,《自然》的物理科学主编卡尔·济耶梅利斯用“非常兴奋”来形容:研究团队用相互纠缠的光子安全传送了至关重要的量子密钥,“量子密钥是保障通信极高保密性的关键”。

  “这一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。”潘建伟说,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。

  “将卫星、地面站和城际光纤量子通信网互联,可进一步构建覆盖全球的天地一体化保密通信网。 ”潘建伟说。

  量子隐形传态虽然不是传统意义上的“瞬间传送”,但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。“这些结果代表了远距离量子通信持续探索中的重大突破”,《自然》杂志审稿人评价。 卡尔·济耶梅利斯说,这两篇论文的发表意味着潘建伟团队顺利完成了三项量子实验的展示,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。

  国际引领地位:量子卫星的聚合效应显现

  随着“墨子号”的全部既定科学目标提前完成,这个项目画上了一个圆满句号,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。

  潘建伟介绍,他的研究团队正与欧洲量子通信团队合作进行洲际量子密钥分发,目前已顺利完成和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,即将具备洲际量子保密通话的条件。德国、意大利等国的科研团队也申请加入。

  同时,研究团队正在致力实现量子通信与经典光通信相融合的安全信息传输。换句话说,就是让量子保密技术与目前使用的传统通信网络无缝链接。

  未来的目标还有很多:构建完整的空地一体广域量子通信网络体系,形成具有国际引领地位的战略性新兴产业和下一代国家信息安全生态系统,探索对广义相对论、量子引力等物理学基本原理的检验……

  “墨子号”取得的系列成果,赢得巨大国际声誉,聚合效应已经显现。 “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。 ”白春礼评价,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。

  据了解,“墨子号”量子卫星是中科院空间科学先导专项在“十二五”期间支持的4颗科学卫星之一,另3颗卫星也都已成功发射。 “悟空”暗物质粒子探测卫星、实践十号返回式科学实验卫星、“慧眼号”硬X射线调制望远镜卫星均获得了大量科学数据,相关科学成果将陆续发布。 “通过这些项目的实施,力争使我国在基础科学研究领域实现更多的重大突破,同时带动航天技术的发展,为将我国早日建成世界科技强国做出重要的、不可替代的贡献。 ”白春礼说。新华社记者董瑞丰徐海涛(新华社北京8月10日电)

  原标题:千里纠缠、星地传密、隐形传态

编辑:刘鸿鹤

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