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抢占量子科技创新制高点 “墨子号”圆满完成三大任务

全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”圆满完成了三大科学实验任务:量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态。

  2016年8月16日,由我国科学家自主研制的世界首颗量子科学实验卫星成功发射,瞄准了量子研究领域最前沿的三大科学目标。2017年8月10日,中国科学技术大学潘建伟团队宣布,全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”圆满完成了三大科学实验任务:量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态。

  被称为“幽灵粒子”的量子,是指构成物质的最小单元,分子、原子、光子等微观粒子都是量子的表现形态。由于量子具有叠加和纠缠等很多神奇特性,量子理论已经催生了很多革命性的技术,比如晶体管、激光器,甚至最前沿的量子通信和量子计算,而量子科学研究也成为国际最前沿的探索领域。经过十多年研究部署,中国科学院潘建伟研究团队联合国内多家科研机构,在去年成功发射了世界首颗量子科学实验卫星,引起了国内外广泛关注和高度评价。在轨运行仅一年时间,“墨子号”就提前完成了全部预先设定的三大科学目标,为我国继续引领世界量子通信技术发展奠定了坚实的基础。

  量子纠缠分发

  2017年6月16日,“墨子号”量子科学实验卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发,并于此基础上实现了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验,在空间量子物理研究方面取得重大突破。

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  量子纠缠被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”,它是两个或多个粒子共同组成的量子状态,无论粒子之间相隔多远,测量其中一个粒子必然会影响其他粒子,这被称为量子力学非定域性。

  量子纠缠所体现的非定域性是量子力学最神奇的现象之一,但由于量子纠缠非常脆弱,会随着光子在光纤内或者地表大气中的传输距离而衰减,以往国际学界的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。

  量子纠缠“鬼魅般的超距作用”在更远的距离上是否仍然存在?会不会受到引力等其他因素的影响?中科大潘建伟等人组成的团队联合中科院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中心等,利用“墨子号”量子科学实验卫星进行了实验验证。

  “墨子号”卫星过境时,同时与青海德令哈站和云南丽江站两个地面站建立光链路,以每秒1对的速度在地面超过1200公里的两个站之间建立量子纠缠。在关闭局域性漏洞和测量选择漏洞的条件下,获得的实验结果以4倍标准偏差违背了贝尔不等式,即在千公里的空间尺度上实现了严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。

  这一重要成果为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。

  量子密钥分发

  通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求。千百年来,人们对于通信安全的追求从未停止。然而,基于计算复杂性的传统加密技术,在原理上存在着被破译的可能性。随着数学和计算能力的不断提升,经典密码被破译的可能性与日俱增。与经典通信不同,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、不可破译的无条件安全的通信方式。
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星地量子密钥分发实验示意图

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“墨子号”-兴隆地面站量子密钥分发实验现场图

  量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号,地面接收的方式,“墨子号”量子卫星过境时,与河北兴隆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率比同等距离地面光纤信道高20个数量级(万亿亿倍)。卫星上量子诱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生成300 kbit的安全密钥,平均成码率可达1.1 kbps。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)互联,可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。

  为此,《自然》杂志的审稿人称赞星地量子密钥分发成果是 “令人钦佩的成就”和“本领域的一个里程碑”,并断言“毫无疑问将引起量子信息、空间科学等领域的科学家和普通大众的高度兴趣,并导致公众媒体极为广泛的报道”。

  量子隐形传态

  量子隐形传态利用量子纠缠将物质的未知量子态精确传送到遥远地点,将其携带的信息传递给对方,无需传送物质本身。它采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式, “墨子号”量子卫星过境时,与海拔5100m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,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%的置信度超越经典极限。假设在同样长度的光纤中重复这一工作,需要3800亿年(宇宙年龄的20倍)才能观测到1个事例。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。

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量子隐形传态实验示意图

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“墨子号”阿里地面站量子隐形传态实验现场图

  《自然》杂志审稿人称赞“这些结果代表了远距离量子通信持续探索中的重大突破”, “这个目标非常新颖并极具挑战性,它代表了量子通信方案现实实现中的重大进步”。

  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。”中科院院长白春礼评价,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。

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