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行业新闻
又是“国际首次”!中国科学家实现量子卫星科学目标
时间:2017-08-22 阅读:54次

近日中国科学院召开新闻发布会,宣布量子科学实验卫星“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,两项成果于8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上,至此“墨子号”已提前完成预设的三大科学目标,分别为量子密钥分发,量子纠缠分发与量子隐形传态。
《自然》(Nature)杂志的物理科学主编卡尔?齐姆勒斯感慨“这是十分令人激动的消息(very exciting stuff)”,并给出评价:“以前人们会说量子技术的极限在天边,但这说法其实有些保守了”,潘建伟团队这些实验中,量子技术就已经突破“天空的限制(gone beyond the sky)”,并将应用型量子通信技术方面的研究提升到如此的“天文高度(astronomical height)”。
一、量子密钥分发
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,可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。
这其中一个重要的研究内容,就是量子密钥分发。
所谓密钥分发实验,要以量子力学一些“原理”的成立为提前。比如,“量子不可克隆定理、量子不可分割”,使得“存在窃听必然被发现”,而量子的“一次一密,完全随机”,又让“加密内容不可破译”成为现实。
卡尔-齐姆勒斯也提到,量子密钥是保障通信极高保密性的关键。他说,“在没有密钥的情况下,是无法读到这些通信的,如果有他人窃听了你的密钥,量子力学的原理保证了你一定会知道,从而你通信的安全性又上了一层楼。”
如今,这种量子密钥分发的设想,在更远的距离即千公里级完成了实验。
具体来看,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。
根据“墨子号”实验结果,在1200公里通信距离上,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300kbit的安全密钥,平均成码率可达1.1kbps。
这些数据背后有一个对比结果,即“星地量子密钥”的传输效率,比传统的技术——也就是同等距离地面光纤信道,要高出20个数量级,即提升万亿亿倍。
《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(impressive achievement)”和“本领域的一个里程碑(it constitutes a milestone in the field)”,并称“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”。
二、量子隐形传态 
《自然》杂志8月10日发表的另一篇潘建伟团队文章,则是关于量子隐形传态,它利用量子纠缠,可以将物质的未知量子态,精确传送到遥远地点,而物体本身却不需要移动。
在卡尔-齐姆勒斯看来,这是量子力学中“最著名却神秘莫测”的方面。他说,在这个实验中,潘建伟团队展示了如何用处于纠缠态的光子,来实现这一点。
具体来看,“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。
按照潘建伟的说法,假设在同样长度的光纤中重复这一工作,需要3800亿年——也就是宇宙年龄的20倍,才能观测到1个事例。
《自然》杂志审稿人称,“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”。
三、量子纠缠分发
在今年在6月16日,中国率先实现“千公里级”星地双向量子纠缠,潘建伟介绍,“墨子号”量子科学实验卫星过境时,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,量子纠缠光子对从卫星到两个地面站的总距离平均达2000公里。卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对,建立光链路可以以每秒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,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。
“该量子纠缠的传输衰减仅仅是同样长度最低损耗地面光纤的一万亿分之一。如果用过去的方法,需要三万年才能送一个纠缠的光子到千公里以外,现在用量子卫星能做到每秒送1个了。”潘建伟说,虽然这个数量还是有点“不够用”,但至少从原理上已经实现了,以后再慢慢扩大传输量,就能实现用量子传递大量的信息了。
中科院院长、党组书记白春礼表示,“墨子号”全部既定科学目标提前完成,为项目本身画上了一个圆满的句号。与此同时,“墨子号”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,为我国在国际上抢占了量子科技创新制高点,成为了国际同行的标杆,实现了“领跑者”的转变。目前,奥地利已经与中科院科研团队展开合作,德国、意大利等国家的科研团队也申请加入,领跑的量子卫星所产生的聚合效应已经显现。在完成既定科学任务后,“墨子号”也制定了后续拓展实验计划,包括基于纠缠的量子密钥、全天时量子通信等,已经在紧张顺利地进行中。预计在卫星设计寿命期内,还将有更多的科学成果陆续发布。
【采编自:中国信息产业网】
 
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