“墨子号”抢占量子科技创新制高点

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新华社北京8月9日电题:千里纠缠、星地传密、隐形传态——“墨子号”抢占量子科技创新制高点

“墨子号”量子科学实验卫星与兴隆量子通信地面站建立天地链路。金立旺摄

新华社记者董瑞丰、徐海涛

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人类能造出不可破解的密码吗?量子通信给出的答案是——能。

科研人员模拟地面望远镜向量子卫星发射信标光。刘坤摄

向身处遥远两地的用户分发量子密钥,利用该密钥对信息采用一次一密的严格加密,这是目前理论上不可窃听、不可破译的通信方式。中国科学院日前传来最新消息:“墨子号”卫星上天一年,已提前完成既定科学目标,将“绝对保密”的量子通信从理论向实用化再次推进了一大步,并为我国未来继续引领世界量子通信技术发展奠定坚实基础。

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“我们在量子通信研究领域保持着领跑优势,但竞争日趋激烈。”中科院院长白春礼院士说,美国已经发布了新的量子科研计划,欧盟、日本也在加紧研究,在新一轮的科研比拼中,科研工作者将以时不我待的精神,艰苦奋斗、勇攀高峰。

在中科院量子模拟实验室里,科研人员调试超冷原子光晶格平台的激光伺服系统。才扬摄

提前完成三大科学目标:千里纠缠、星地传密、隐形传态

党的十九大报告指出,加快建设创新型国家。要瞄准世界科技前沿,强化基础研究,实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破。这为广大科技工作者指明了前进方向、明确了战略任务。近年来,我国在科技领域已经取得了一系列重大突破,本期特邀读者欣赏部分科技成果的风采。

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和从地面到卫星的量子隐形传态。

2016年8月,我国成功发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”;2016年11月,量子保密通信骨干网“京沪干线”顺利开通。

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。

2017年5月,中国科学技术大学潘建伟团队利用高品质量子点单光子源构建了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机,实现了目前世界上最大数目超导量子比特的纠缠;6月,利用“墨子号”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;8月,“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和从地面到卫星的量子隐形传态。

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。

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,奠定了坚实基础,兼具实用化和科学意义。

传统的信息加密技术,依靠的是计算的“复杂性”,但随着数学和计算能力的飞速提升,再复杂的加密算法也“很快”会被破解。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。

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。

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300千比特的密钥,平均成码率达1.1千比特/秒。

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。

星地量子隐形传态是“墨子号”的另一个重大科学目标。“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。

“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。”中国科学院院长白春礼评价,这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。

潘建伟院士说,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。

向身处遥远两地的用户分发量子密钥,利用该密钥对信息采用一次一密的严格加密,这是目前理论上不可窃听、不可破译的通信方式。随着上天一年,“墨子号”将“绝对保密”的量子通信从理论向实用化推进了一大步,并为我国未来继续引领世界量子通信技术发展奠定坚实基础。

又一个里程碑:为全球量子保密通信网络奠定基础

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”。

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