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透視量子通信的“裏程碑式”進展

2017-06-17 05:18:32 中安在線 

  在浩瀚的星空中,“墨子號”量子科學實驗衛星向地球發出的兩道光束,宛如兩條長腿邁出史詩級的步伐。這驚心動魄的“一邁”,震動了整個世界。 6月16日,中國科學技術大學潘建偉院士團隊在合肥宣布,他們在世界上率先成功實現千公裏級的星地雙向量子糾纏分發,實際分發距離超過1200公裏,創造世界紀錄,為量子網絡和量子通信實驗研究奠定了堅實基礎。

透視量子通信的“裏程碑式”進展

  “一步千裏”的世界跨越

  從百公裏到千公裏,“墨子號”衛星將量子糾纏分發的世界紀錄提高了一個數量級。 6月16日,國際權威學術期刊《科學》以封面論文形式發表了該成果,並稱之為“裏程碑式的研究”。

  量子通信被認為是理論上絕對安全的通信方式,實現全球化的廣域量子通信是人類的夢想,而實現這一夢想的前提是實現遠距離的量子糾纏分發。潘建偉指出,使用光纖來進行遠距離量子糾纏分發信號損耗過大,在傳輸到1000公裏的時候,信號已經損失了99%,每秒鐘只能傳輸10的-12次方個單光子,3萬年才能傳送1個光子。通過近地面自由空間通道實現量子糾纏分發,又會受地面障礙物、地表曲率等的影響。目前,量子中繼由於受到量子存儲壽命和讀出效率等因素的嚴重制約而無法使用。所以,此前的世界量子糾纏分發實驗只停留在百公裏的距離。

  “衛星是實現遠距離量子糾纏分發的一種非常有效的途徑。 ”潘建偉說,衛星在太空沒有地表曲率的影響,外層真空對信號也沒有損害,大氣本身對某些特定波長的光子束吸收比較小。 “星地間的自由空間信道損耗小,在遠程量子通信中比光纖更具可行性,結合衛星的幫助,可以在全球尺度上實現超遠距離的量子糾纏分發。 ”

  早在2003年,潘建偉團隊就提出利用衛星實現遠距離量子糾纏分發的方案,2005年在國際上首次實現水平距離13公裏的自由空間雙向量子糾纏分發。 2010年,又在國際上首次實現基於量子糾纏分發的16公裏量子態隱形傳輸。 2012年,在青海湖實現首個百公裏的雙向量子糾纏分發和量子隱形傳態。隨後,該團隊經過艱苦攻關,最終研制出“墨子號”衛星,並於2016年8月16日成功發射升空,經過4個月的在軌測試,今年1月18日正式交付中科大開展科學實驗。星地量子糾纏分發作為衛星的三大科學實驗任務之一,是國際上首次在空間尺度上開展的量子糾纏分發實驗。

  潘建偉介紹,“墨子號”經過中國上空時,同時與青海德令哈站和雲南麗江站兩個地面站建立光鏈路,量子糾纏光子對從衛星到兩個地面站的總距離達2000公裏。衛星上的糾纏源載荷每秒產生800萬個糾纏光子對,建立光鏈路可以以每秒1對的速度在地面超過1200公裏的兩個站之間建立量子糾纏,該量子糾纏的傳輸衰減僅僅是同樣長度最低損耗地面光纖的一萬億分之一。在關閉局域性漏洞和測量選擇漏洞的條件下,獲得的實驗結果以4倍標準偏差違背了貝爾不等式,即在千公裏的空間尺度上實現了嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗。

  “裏程碑式”意味著什麽

  “這是"墨子號"衛星上天以來發布的最大成果。 ”“墨子號”科學應用系統總設計師、中科大研究員彭承誌表示。 “這一成果為未來開展大尺度量子網絡和量子通信實驗研究,以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的實驗檢驗奠定可靠的技術基礎。”潘建偉說,同時也首次實現空間尺度嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗。

  在《“十三五”國家科技創新規劃》中,我國將量子信息作為“引領產業變革的顛覆性技術”重點開發。近日,科技部聯合教育部、中科院、國家自然科學基金委員會共同制定並公布了《“十三五”國家基礎研究專項規劃》,將量子通信與量子計算機作為將組織實施的重大科技專項。 “墨子號”量子糾纏分發距離超過1200公裏,對於量子通信而言,是一個新的歷史起點。 《科學》雜誌審稿人認為,這一成果是“兼具潛在實際應用和基礎科研重要性的重大技術突破”,“毫無疑問將在學術界和廣大社會公眾中產生非常巨大的影響”。

  這一成果實現後,有什麽用?彭承誌介紹,最直接的一個應用,基於所實現的千公裏糾纏分發,可以在兩地之間直接建立安全密鑰,這是目前無需借助可信中繼,在千公裏的距離建立安全量子密鑰的唯一方式;另一個直接的應用是利用糾纏分發來實現量子隱形傳態方案,用於量子態的遠程制備和操縱,在分布式量子網絡中非常有用。

  “這項工作是糾纏分發技術的一個真正突破,表明遠距離量子通信確實在技術上可行,讓人們看到了在不久的未來構建遠程量子通信的希望。 ”麻省理工學院凱克極限量子信息理論中心主任塞思·勞埃德說。 “這是一個英雄史詩般的實驗,是驗證量子力學有效性的又一個決定性步驟。這個結果對現代量子物理學發展的影響無論怎樣評價都不為過。 ”波士頓大學量子信息科學家亞歷山大·謝爾吉延科表示。 “這個中國團隊已克服了好幾個重大技術與科學挑戰,清楚地表明了他們在量子通信領域處於世界領先地位。 ”滑鐵盧大學量子技術專家托馬斯·延內魏因坦言。

  實用化有哪些“攔路虎”

  潘建偉介紹,高速星地量子密鑰分發、星地雙向量子糾纏分發、星地量子隱形傳態,是“墨子號”量子科學實驗衛星的三大科學任務。除了量子糾纏分發實驗外,“墨子號”量子科學實驗衛星的其他重要科學實驗任務,包括高速星地量子密鑰分發、星地量子隱形傳態等,也在緊張順利地進行中,預計今年會有更多的科學成果陸續發布。

  從百公裏級到千公裏級,“墨子號”衛星的成就,讓量子通信向實用化邁進了一大步,並從技術上驗證了構建全球量子通信網絡的可行性。未來,利用衛星的中轉,甚至可以實現地面上相距數千公裏甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信。 “然而,在邁向實用化的道路上,仍然還有很多困難和挑戰。 ”潘建偉對此並不避諱。

  "墨子號"衛星現在只能在晚上工作,白天沒辦法控制,因為太陽光太強了,會把信號給湮滅掉。 ”潘建偉透露,他們正在發展相關技術,希望將來能夠讓衛星白天、晚上都可以工作。目前,“墨子號”在飛越中國時,每天真正有效實驗時間只有200秒至300秒。 “對於我們來說,這實驗時間太短了。 ”潘建偉說,希望“十三五”期間能夠達到24小時。

  “下一步,我們要在提升衛星的覆蓋範圍上攻關,通過高軌衛星或者"量子星座"網絡的方式,解決目前只能在地影區工作的限制,最終能夠實現全天時的量子通信網絡。 ”彭承誌表示。

  目前,創建量子信息國家實驗室被列為我省科技創新“一號工程”。 "墨子號"的成功發射和各項成果的取得,充分體現了建設這一國家實驗室的必要性,這裏面不僅需要中科大團隊,也需要兄弟單位經驗。 ”潘建偉說,他們在前期合作過程中建立了一種很好的協同創新機制,為將來多學科交叉協同創新、大體量大規模科學探索,找到了一條非常好的路徑。

  

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  潘建偉團隊大事記

  2003年,在國際上首次成功實現自由量子態隱形傳輸。

  2004年,在國際上首次成功制備5光子量子糾纏態。

  2005年,在國際上首次實現13公裏自由空間的量子通信。

  2007年,在國際上首次成功制備6光子量子糾纏態。

  2010年,世界首個規模化量子通信網絡在合肥啟動建設。

  2012年,在國際上首次成功制備8光子量子糾纏態。

  2012年,在合肥建成世界首個城域量子通信試驗示範網。

  2012年,在國際上首次成功實現百公裏量級自由空間量子隱形傳態和糾纏分發。

  2013年,在國際上首次實驗實現了測量器件無關的量子密鑰分發。

  2014年,在國際上首次將可以抵禦黑客攻擊的遠程量子密鑰分發系統的安全距離擴展至200公裏。

  2015年,在國際上首次成功實現多自由度量子體系的隱形傳態。

  2016年,“多光子糾纏及幹涉度量”項目奪得國家自然科學獎一等獎。

  2016年,主導研制的世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空。

  2016年,在國際上首次實現超過400公裏抵禦量子黑客攻擊的測量設備無關量子密鑰分發。

  2016年,在國際上首次成功實現10光子糾纏,打破此前由該研究小組保持多年的8光子紀錄。

  2016年,牽頭負責的世界首條千公裏量級量子保密通信骨幹網“京滬幹線”全線貫通。

  2017年,成功研制出世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機。

  2017年,在世界上率先成功實現千公裏級的星地雙向量子糾纏分發。 (本報記者桂運安)

透視量子通信的“裏程碑式”進展

  6月15日,在烏魯木齊南山觀測站,“墨子號”量子科學實驗衛星過境,科研人員在做實驗(合成照片)。 6月16日,中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承誌等組成的研究團隊宣布,在中國科學院空間科學戰略性先導科技專項的支持下,利用“墨子號”量子科學實驗衛星在國際上率先成功實現了千公裏級的星地雙向量子糾纏分發,並於此基礎上實現了空間尺度下嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗,在空間量子物理研究方面取得重大突破。新華社發

  

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  神奇的量子糾纏

  在微觀世界中,有兩個(或多個)共同來源的微觀粒子,即使隔著太陽系,只要其中一個粒子狀態發生變化,其他粒子狀態立即發生相應變化,這就是被愛因斯坦稱作“鬼魅般的超距作用”的“量子糾纏”。美國科學家、諾貝爾物理學獎獲得者弗蘭克·維爾切克曾用《格林童話》中《兩兄弟》故事打比方:“量子糾纏”就像一對有“心靈感應”的雙胞胎,長得分不清彼此;他們也心靈相通,即便天各一方,弟弟有難,哥哥即刻得知。處於量子糾纏態的粒子,無論相隔多遠,測量其中一個粒子必然會影響其它粒子,這被稱為量子力學非定域性。量子糾纏是一種非常奇特、無處不在的物理現象,它顛覆了常理,卻廣泛應用於量子保密通信、量子計算模擬和量子精密測量等各個領域。量子糾纏所體現的非定域性是量子力學最神奇的現象之一。

  量子糾纏分發,就是把制備好的兩個糾纏粒子(通常為光子)分別發送到相距很遠的兩個點。觀察兩個點的統計測量結果是否破壞貝爾不等式,可以用來驗證量子力學非定域性的存在。但由於量子糾纏非常脆弱,會隨著光子在光纖內或者地表大氣中的傳輸距離而衰減,以往的世界量子糾纏分發實驗只停留在百公裏的距離。在理論物理學中,貝爾不等式是一個有關是否存在完備局域隱變量理論的不等式。在經典物理學中,此一不等式成立。在量子物理學中,此一不等式不成立。實驗表明,貝爾不等式不成立,可以驗證量子力學理論。

  (本報記者桂運安)

  

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(責任編輯: HN666)
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