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“超时空传送”近了?

www.guangzhou.gov.cn2017年8月11日 15:33:32来源: 南方日报

  中国科学家在首颗量子科学实验卫星“墨子号”上完成了一项特殊实验:从地面到太空的量子隐形传态。这也是“墨子号”最难做的一项实验,它还常常被人联想到科幻电影《星际迷航》中的超时空传输。它们是一回事吗?

  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(星地高速量子密钥分发)和从地面到卫星的量子隐形传态(地星量子隐形传态)。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。中科院院长白春礼说,系列成果赢得巨大国际声誉,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。

  最新进展▶▷提前实现三大目标

  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。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)。

  从卫星到地面的量子密钥分发,以及从地面到卫星的量子隐形传态,是“墨子号”最新实现的科学目标。潘建伟、彭承志团队联合中科院上海技术物理研究所等单位完成上述重要成果,在线发表于国际权威学术期刊《自然》。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。

  星际旅行▶▷实物传送还是幻想

  星地量子隐形传态是“墨子号”的一个重大科学目标。“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。

  潘建伟说,量子隐形传态是量子通信的一个重要内容,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,而不用传送物质本身。这有点像孙悟空的“筋斗云”,也像《星际迷航》中,宇航员在特殊装置中说一句“发送我吧”,他就瞬间转移到另一个星球。

  当然,这只是个比喻。科学家指出,量子隐形传态实验中,被传输的是信息而并非实物。把粒子A的未知量子态传输给远处的另一个粒子B,让B粒子的状态变成A粒子最初的状态。注意传的是状态而不是粒子,A、B的空间位置都没有变化,并不是把A粒子传到远处。当B获得这个状态时,A的状态也必然改变,任何时刻都只能有一个粒子处于目标状态,所以并不能复制状态,或者说这是一种破坏性的复制。

  人类想离开太阳系去看看,量子隐形传态能否在未来成为人类星际旅行的方式?潘建伟指出,传送几十、几百个微观粒子会在不久的将来实现,但要传送复杂的实物现在还是一种科学幻想。人是由10的28次方个粒子组成的,所以人类通过这种方式星际旅行还是个遥不可及的梦想。但他同时也说:“我不敢说超时空传送真的能实现,但是科学的发展是不能预测的。”

  现实意义▶▷为全球量子通信网络奠基

  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。

  ■名词解释

  ◎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。

  ◎量子隐形传态:

  是量子通信的一个重要内容,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,而不用传送物质本身。量子隐形传态实验中,被传输的是信息而并非实物。

  展望

  “量子星座”在路上


  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。

  在更长远的规划中,中国科学家的目标是建立全球化的量子通信网络。

  王建宇说,单颗低轨卫星无法直接覆盖全球。目前“墨子号”一次过境开展实验的时间约为10分钟。如果卫星在1万公里的轨道上,那么发送密钥的时间就可持续几个小时。如果卫星在3.6万公里的轨道上,地球的三分之一就能一直看到卫星,这些地方就在任何时候都可以保密通信。理论上有三颗高轨卫星就能覆盖全球。

  “所以‘墨子号’只是一个起点,从实用的角度来说,必须要构建由高、中、低轨道卫星组成的量子星座,建立覆盖全球的量子通信网络。”王建宇说,“我们希望通过10年左右的努力,最终能够构建完整的空地一体广域量子通信网络体系,在国防、政务、金融和能源等领域广泛应用,并与经典通信网络实现无缝对接,推动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。也希望进一步探索对广义相对论、量子引力等物理学基本原理的检验。”

  “如果国家支持发射多颗量子通信卫星,那么有希望到2030年左右,建成全球化的广域量子通信网络。”潘建伟说。

  

(编辑: 曾源 )

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