“墨子號”實現(xiàn)星地量子密鑰分發(fā) 圓滿實現(xiàn)全部目標(biāo)

2018-12-24 16:59:10來源：新浪科技

“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星在國際上首次成功實現(xiàn)從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)，至此圓滿實現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的全部三大科學(xué)目標(biāo)，為我國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊，聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國家天文臺、紫金山天文臺、南京天文儀器有限公司、國家空間科學(xué)中心等，在中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的支持下，利用“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，在國際上首次成功實現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。

兩項成果于北京時間8月10日凌晨1點同時在線發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。這是繼先前在國際上率先實現(xiàn)千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學(xué)非定域性檢驗的研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志[Science 356， 1140 (2017)]之后，我國科學(xué)家利用“墨子號”量子衛(wèi)星實現(xiàn)的空間量子物理研究另外兩項重大突破。至此，“墨子號”量子衛(wèi)星提前并圓滿實現(xiàn)全部三大既定科學(xué)目標(biāo)。

量子通信的研究內(nèi)容之一是量子密鑰分發(fā)。通信安全是國家信息安全和人類經(jīng)濟(jì)社會生活的基本需求。千百年來，人們對于通信安全的追求從未停止。然而，基于計算復(fù)雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù)，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數(shù)學(xué)和計算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。

與經(jīng)典通信不同，量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。

量子通信的另一重要內(nèi)容是量子隱形傳態(tài)，它利用量子糾纏可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點，而不用傳送物質(zhì)本身。遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)是實現(xiàn)分布式量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元。

量子通信通常采用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離的增加而指數(shù)增加。由于量子不可克隆原理，單光子量子信息不能像經(jīng)典通信那樣被放大，這使得之前量子通信的世界紀(jì)錄為百公里量級。根據(jù)數(shù)據(jù)測算，通過1200公里的光纖，即使有每秒百億發(fā)射率的單光子源和完美的探測器，也需要數(shù)百萬年才能建立一個比特的密鑰。因此，如何實現(xiàn)安全、長距離、可實用化的量子通信是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國際學(xué)術(shù)界幾十年來奮斗的共同目標(biāo)。

利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點，通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離。同時，由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個地球的獨特優(yōu)勢，是在全球尺度上實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離實用化量子密碼和量子隱形傳態(tài)最有希望的途徑。從本世紀(jì)初以來，該方向已成為了國際學(xué)術(shù)界激烈角逐的焦點。

潘建偉團(tuán)隊為實現(xiàn)星地量子通信開展了一系列先驅(qū)性的實驗研究。2003年，潘建偉團(tuán)隊提出了利用衛(wèi)星實現(xiàn)星地間量子通信、構(gòu)建覆蓋全球量子保密通信網(wǎng)的方案，隨后于2004年在國際上首次實現(xiàn)了水平距離13公里(大于大氣層垂直厚度)的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)，驗證了穿過大氣層進(jìn)行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”正式立項。2012年，潘建偉領(lǐng)銜的中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊在青海湖實現(xiàn)了首個百公里的雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，充分驗證了利用衛(wèi)星實現(xiàn)量子通信的可行性。2013年，中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊在青海湖實現(xiàn)了模擬星地相對運動和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發(fā)實驗，全方位驗證了衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)的可行性。隨后，該團(tuán)隊經(jīng)過艱苦攻關(guān)，克服種種困難，最終成功研制了“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星。“墨子號”衛(wèi)星于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過四個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學(xué)實驗。

星地高速量子密鑰分發(fā)是“墨子號”量子衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一。量子密鑰分發(fā)實驗采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號，地面接收的方式，“墨子號”量子衛(wèi)星過境時，與河北興隆地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數(shù)量級(萬億億倍)。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300 kbit的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)1.1 kbps。

這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實現(xiàn)地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)展到覆蓋全球。

此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網(wǎng)(如合肥量子通信網(wǎng)、濟(jì)南量子通信網(wǎng)、京滬干線)互聯(lián)，可以構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò)。

圖1 星地量子密鑰分發(fā)實驗示意圖

圖 2 “墨子號”-興隆地面站量子密鑰分發(fā)實驗現(xiàn)場圖

為此，《自然》雜志的審稿人稱贊星地量子密鑰分發(fā)成果是“令人欽佩的成就”(“an impressive achievement”)和“本領(lǐng)域的一個里程碑”(“it constitutes a milestone in the field”)，并斷言“毫無疑問將引起量子信息、空間科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家和普通大眾的高度興趣，并導(dǎo)致公眾媒體極為廣泛的報道”(“I have no doubt that it will attract the interest of scientists working in a variety of fields (including quantum information science and space science)， the general public， and lead to very extensive media coverage”)。

地星量子隱形傳態(tài)是“墨子號”量子衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一。量子隱形傳態(tài)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式， “墨子號”量子衛(wèi)星過境時，與海拔5100m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產(chǎn)生8000個量子隱形傳態(tài)事例，地面向衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，實驗通信距離從500公里到1400公里，所有6個待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。假設(shè)在同樣長度的光纖中重復(fù)這一工作，需要3800億年(宇宙年齡的20倍)才能觀測到1個事例。這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究，以及空間量子物理學(xué)和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖3 量子隱形傳態(tài)實驗示意圖

圖4 “墨子號”-阿里地面站量子隱形傳態(tài)實驗現(xiàn)場圖

《自然》雜志審稿人稱贊“這些結(jié)果代表了遠(yuǎn)距離量子通信持續(xù)探索中的重大突破”(“These results represent an important breakthrough in the quest for quantum communications over long distances”)， “這個目標(biāo)非常新穎并極具挑戰(zhàn)性，它代表了量子通信方案現(xiàn)實實現(xiàn)中的重大進(jìn)步”(“This goal is very challenging and new， and it represent a significant advancement of the realization of quantum communications schemes。”)。

文章的預(yù)印本在學(xué)術(shù)網(wǎng)站arXiv.org上公開后就受到國際科學(xué)媒體廣泛關(guān)注，比如，自然新聞(Nature news)以“Quantum teleportation is even weirder than you think(量子隱形傳態(tài)超乎想象的神秘)”為題進(jìn)行了報道，BBC新聞分別以“First object teleported to Earth‘s orbit”和“Teleportation： Photon particles today， humans tomorrow?”為題進(jìn)行了連續(xù)報道，英國《衛(wèi)報》也以“Beam me up， Scotty! Scientists teleport photons into space”為題進(jìn)行了相關(guān)報道，等等。

“墨子號”量子衛(wèi)星全部三大既定科學(xué)目標(biāo)的成功實現(xiàn)，為我國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

作者：林梅中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

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