墨子号: 树起量子通信中国标杆

近日,美国科学促进会宣布,“墨子号”量子科学实验卫星科研团队被授予2018年度克利夫兰奖,以表彰该团队通过实现千公里级星地双向量子纠缠分发,为推动大尺度量子通信实验研究做出的卓越贡献。这是该奖设立九十余年来,中国科学家在本土完成的科研成果首次获得这一重要荣誉。而几个月前,2018年12月17日,“墨子号”量子科学实验卫星完成的洲际量子密钥分发研究成果,还被列入美国物理学会2018年度国际物理学领域的十项重大进展。

圆满实现三大科学目标

“‘墨子号’量子卫星圆满实现预定的全部三大科学目标,为我国在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科学与技术基础。”中国科学技术大学潘建伟教授告诉科技日报记者。

由于量子不可克隆原理,量子通信的信号不能像经典通信那样被放大,又由于光纤信道的固有衰减,量子通信的距离受到很大限制。利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点,通过卫星辅助可以大大扩展量子通信距离。潘建伟团队为实现星地量子通信开展了一系列先驱性的实验研究。“墨子号”量子科学实验卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心成功发射,2017年1月18日正式开展科学实验。

星地高速量子密钥分发是“墨子号”量子卫星的科学目标之一。“墨子号”量子卫星与河北兴隆地面光学站建立了光链路,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)。

实现地星量子隐形传态是“墨子号”量子卫星的又一科学目标。量子隐形传态可利用量子纠缠将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点,而不用传送粒子本身。“墨子号”量子隐形传态实验采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式。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个量子隐形传态事例,向“墨子号”量子卫星发射纠缠光子,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。

量子纠缠被爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”,也是量子力学最神奇的现象之一。由于量子纠缠非常脆弱,以往的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。这种“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?作为卫星的三大科学实验任务之一,“墨子号”量子卫星在国际上首次在空间尺度上开展了量子纠缠分发实验。

“墨子号”卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对,可以每秒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,量子纠缠的传输衰减仅是地面光纤的一万亿分之一。

开启全球量子通信时代

“墨子号”量子科学实验卫星取得的一系列科学实验成果,在获得国际上盛大赞誉与好评的同时,也开启了全球化量子通信时代之门。

星地量子密钥分发的实现,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。以此为基础,将卫星作为可信中继,可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互联,可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。

星地量子纠缠分发和地星量子隐形传态的实现,使人们可以利用量子纠缠所建立起的量子信道,构建起量子信息处理网络的基本单元,同时也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。

而在“墨子号”三大预定科学实验任务完成之后,2018年初,通过与奥地利科学院的国际合作,“墨子号”量子卫星首次实现了北京和维也纳之间相距约7600公里的洲际量子保密通信。这一成果也被美国物理学会评选为2018年度国际物理学十大进展之一。

2018年,素有着诺贝尔奖风向标之称的“沃尔夫物理学奖”在获奖者介绍中专门提到:“量子密钥分发已经成功实现商业化,在光纤中已经能做到几百公里,用卫星可以做到上千公里”。而这两个纪录正是潘建伟团队创造的,一个是光纤量子密钥分发最远安全距离做到404公里,另一个就是“墨子号”做到的星地1200公里,这是中国科学家的贡献,也是中国量子通信领先世界的标志。

“量子通信利用量子力学原理对量子态进行操控,可以完成经典通信所不能完成的任务。”潘建伟说,量子密钥分发可以实现无条件安全的密钥分发,就算窃听者有全宇宙最强的计算机,哪怕是量子计算机,也不能破解加密后的信息。使用量子密钥分发技术可以帮助实现通信安全中机密性、真实性和不可否认性的无条件安全,也就是说,保证通信加密无法破译,保证对方身份真实可靠,保证信息无法被篡改。

标准化是产业成熟发展基石

2013年,我国启动量子保密通信京沪干线工程建设,目前除了按计划接入的金融用户外,电力系统、大数据互联网企业也正在接入,央行已经在制定金融领域接入使用的相关标准。

几乎同时,世界主要的发达国家都已经或正在加紧实施远距离量子通信干线工程。意大利量子通信骨干网用户囊括了意大利国家计量研究院、欧洲非线性光谱实验室等多家研究机构和公司;英国正在建设英国国家量子通信测试网络;俄罗斯量子中心建成了专用于传递真实金融数据的实用量子通信线路;韩国第一阶段环首尔地区的量子保密通信网络,除为公共行政事务、警察和邮政等领域服务外,正在向国防和金融领域拓展……

“京沪干线将带动整个产业链的发展,特别是在核心元器件国产化和相关标准制定方面。”潘建伟说,当前率先实用化的量子保密通信技术(或称量子密钥分发,QKD)正在蓬勃发展,取得了长足的进步,但要进一步实现QKD从实用化到产业化规模应用,还面临着不少挑战。其中,标准化是关键一步,是未来产业成熟发展的基石。

目前,我国正全力推进QKD标准化相关工作。2017年6月,工信部中国通信标准化协会(CCSA)成立量子通信与信息技术特设组,已有44家会员单位,正在围绕量子保密通信标准体系的术语、应用场景、网络架构、技术要求、测试方法、应用接口等内容编制有关国家标准和行业标准。另外,我国专家在ISO/IEC国际标准化组织启动了QKD的全球首个国际标准项目,正式开启了QKD的国际标准化进程。

“与任何一项新技术的发展一样,量子通信技术的应用和发展也需要实验和应用示范。”对于工程化和实用化,潘建伟一直秉持这样的观点,一方面要谨慎论证,另一方面也要积极部署,因为有应用才有进步、才有未来。

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责任编辑:符雪苑
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