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“墨子号”提前实现三大科学目标 中国领跑量子通信

核心提示: 《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”。

 原标题:“墨子号”提前实现三大科学目标—— 中国领跑 量子技术突破天空限制

星地量子密钥分发实验,2017年5月拍摄于乌鲁木齐南山。多张照片合成了卫星过境的全貌,背景是恒星的星轨。中科院供图

还有6天,距离全球第一颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空就要满一整年了。8月10日,这颗卫星的首席科学家、中国科学技术大学潘建伟院士领导的中科院联合研究团队向外界又公布了一项重大成果——“墨子号”在国际上第一次成功实现了“千公里级”的星地双向量子通信。

《自然》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)”。

一个多月前,潘建伟团队在国际上率先实现“千公里级”的星地双向量子纠缠分发,并将成果发表在6月16日的《科学》杂志上,完成了“墨子号”一项科学任务即“星地双向量子纠缠分发”;如今则将另外两项任务一并完成:高速星地量子密钥分发和地星量子隐形传态,相关成果已在线发表在8月10日的《自然》杂志上。

至此,属于中国的“墨子号”量子卫星,已提前完成预先设定的三大科学目标。在8月4日的媒体见面会上,中国科学院院长白春礼对中国青年报·中青在线等媒体表示,“(‘墨子号’量子卫星)系列成果赢得了巨大国际声誉,标志着我国量子通信领域的研究在国际上达到‘全面领先’的优势地位。”

  关乎“无条件安全通信方式”的实验:投稿最早,发表最晚

千百年来,人们对于通信安全的追求从未停止。然而,基于计算复杂性的传统加密技术,在原理上存在着被破译的可能性。随着数学和计算能力的不断提升,经典密码被破译的可能性与日俱增——

1999年,传统加密算法RSA512被破解;2009年,RSA768被破解;“尚未被破解”的RSA1024,也被认为“被破解是早晚的事”。至于所谓下一代标准密码“配对密码”,则在2012年就已经被破解。2017年2月,谷歌破解了广泛应用于文件数字证书中的SHA-1算法。以至于有人说,“人们怀疑,以人类的才智无法构造人类自身不可破解的密码”。

然而,量子力学100多年的发展,却给人类带来另一种可能。

潘建伟说,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。

按照潘建伟的说法,这个名为“量子密钥分发”的实验,关乎量子保密通信网络的“可行性”,关乎所谓“绝对通信安全”的未来,因此其结果包括其过程中的一些数据,都备受科学家关注。

在接受中国青年报·中青在线等媒体采访时,潘建伟透露,“量子密钥分发”这个成果的投稿时间,要比“星地双向量子纠缠分发”这个成果早两周左右,但最终发表的时间,却晚了将近两个月——后者是6月16日,前者是8月10日。

“大家对这个实验太关注了,《自然》杂志不断要求我们提供相关实验细节和数据,来让其他同行将来能够重复、验证我们的实验结果,我们只好不断地往外‘掏’实验数据。”潘建伟说。

地星量子隐形传态实验,2017年4月拍摄于西藏阿里。中科院供图

  千公里级密钥分发:通信速率比传统技术提升万亿亿倍

不过,文章最终通过了《自然》杂志审稿人的“把关”,并得以发表。

《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“毫无疑问将引来量子信息、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”。

所谓密钥分发实验,要以量子力学一些“原理”的成立为前提。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。

潘建伟说,这就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。未来,他希望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。

正如量子卫星科学应用系统总师、中国科学技术大学教授彭承志所说,下一步他们要在提升卫星的覆盖范围上攻关,通过高轨卫星或者“量子星座”网络的方式,最终能够实现全天时的量子通信网络。

  “领跑者”来了:中国开启全球化量子通信大门

在媒体见面会上,白春礼说,宣布量子卫星全部既定科学目标均已提前完成,就意味着“为(量子科学卫星)项目本身画上了一个圆满的句号”。

不过,这并不是说中国量子科技之路就此打住,而更意味着一个新的开始。

白春礼说,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,成为国际同行的标杆,实现了成为“领跑者”的转变。

潘建伟也提到,在完成既定科学任务后,“墨子号”也制订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。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。

《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”,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”。

  向“重技术轻科学”开刀:更多科学卫星成果将陆续发布

值得一提的是,除了“墨子号”量子卫星外,中科院在“十二五”启动实施的空间科学战略性先导专项中其他三颗卫星均已成功发射。按照白春礼的说法,“悟空号”暗物质粒子探测卫星、实践十号返回式科学实验卫星、“慧眼号”硬X射线调制望远镜卫星也都已经获得大量科学数据,相关科学成果将陆续发布。

多年来,作为一个航天大国,我们在空间技术以及空间应用方面做出了让世人瞩目的成绩,但在中国科学院国家空间科学中心主任、空间科学先导专项科学卫星工程常务副总指挥吴季看来,从航天大国转变成一个航天强国的时候,空间科学领域是我们的一个短板,“如果要弥补这一短板,必须转变重技术、轻科学的做法”。

据吴季透露,面向“十三五”“十四五”,中科院方面已经部署了多个科学卫星计划,这些计划聚焦当前国际重大基础科学前沿,包括宇宙的起源、黑洞、引力波、系外行星探测、太阳系资源勘探、太阳爆发机理、地球空间暴及其粒子逃逸、水循环和全球变化的关系等。

这其中,中科院与欧洲航天局联合支持的太阳风-磁层相互作用全景成像卫星(SMILE)已经立项实施,爱因斯坦探针卫星(EP)、先进天基太阳天文台卫星(ASO-S)已经启动立项综合论证。吴季说,希望通过这些项目的实施,力争使我国在基础科学研究领域实现更多的重大突破。

在6月16日,中国率先实现“千公里级”星地双向量子纠缠分发时,潘建伟就提到,没做成(这项实验)时,外界有很多怀疑,如今花费这么多时间做成了,国际上都纷纷表示要“尽可能赶上”。

正如一位美国同行所说,虽然第一艘宇航飞船和第一个人造卫星都是苏联做出来的,但登月,美国却是第一个。他们觉得只要努力,就可以在量子领域赶超中国。潘建伟说,“所以,我们不敢懈怠”。

如今,在“墨子号”量子卫星预定科学任务全部完成之时,白春礼又说了同样意思的一番话:“创新永无止境,也容不得半点懈怠,不进则退、慢进也是退。”

他说,目前,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。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,我们面临的形势之严峻和压力之大,都将超过以往。(记者 邱晨辉)

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责任编辑:刘霞
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