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量子傳態(tài):天地組網(wǎng)傳捷報(bào)

時(shí)間:2016-12-15來1源:未知 作者:91boshi

  今年8月16日凌晨發(fā)射升空的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星,已經(jīng)遨游太空4個(gè)月了,目前正處于在軌測(cè)試階段。與此同時(shí),“京滬干線”廣域量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)工程即將全線開通,“武合干線”及武漢量子保密通信城域網(wǎng)也簽約開建。

隨著捷報(bào)頻頻傳來,世界上第一個(gè)天地一體化的量子通信網(wǎng)已然初具規(guī)模。而“量子”與“衛(wèi)星”的奇異組合也漸漸褪去神秘的面紗,越來越被人們所熟知和了解。

量子聯(lián)網(wǎng)溝通天地

關(guān)注量子衛(wèi)星的人,一定都忘不了“墨子”與地面四大臺(tái)站建立星地鏈路時(shí)那驚心動(dòng)魄的一幕:綠色信標(biāo)光從衛(wèi)星上投下,紅色信標(biāo)光自地面站發(fā)出,在延時(shí)攝影曝光下,全世界都見證了雙方光束精準(zhǔn)對(duì)接的瑰麗畫面。那陣勢(shì),仿佛中國古典傳說里,兩位絕世高手正在比拼內(nèi)力。

“在衛(wèi)星和地面站之間實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的傳遞和測(cè)量,并且在此基礎(chǔ)上開展實(shí)驗(yàn),是‘墨子號(hào)’三大科學(xué)任務(wù)的一個(gè)共同特點(diǎn)。”量子衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師、中國科技大學(xué)研究員彭承志說,“這也是量子衛(wèi)星區(qū)別于其他衛(wèi)星的一個(gè)重要方面。”正是這一特點(diǎn),賦予了量子衛(wèi)星通天接地、大開大合的氣勢(shì)。

所謂“墨子號(hào)”的三大科學(xué)任務(wù),是指星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)和地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。前者是為了實(shí)現(xiàn)更廣范圍乃至全球范圍的量子通信,后兩者則旨在宏大尺度上開展對(duì)量子理論本身的檢驗(yàn)。

彭承志告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者,為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),必須從兩大方面著手:其一是研制衛(wèi)星上的有效載荷——在量子衛(wèi)星堪稱嬌小的身體上,負(fù)載著4個(gè)與眾不同的裝置:能生成單個(gè)光量子的激光器、能制造成對(duì)糾纏態(tài)光量子的量子糾纏源,以及分別將單個(gè)光量子和糾纏態(tài)光量子發(fā)射至地面實(shí)驗(yàn)站的量子密鑰通信機(jī)和量子糾纏發(fā)射機(jī)。

其二是在地面上打造能與衛(wèi)星良好互動(dòng)的地面站,包括承擔(dān)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)的北京興隆站和新疆南山站、負(fù)責(zé)量子糾纏態(tài)分發(fā)實(shí)驗(yàn)的青海德令哈站和云南麗江站、進(jìn)行量子隱形傳態(tài)的西藏阿里站。

“衛(wèi)星、臺(tái)站,再加上量子京滬干線,共同形成了一個(gè)聯(lián)合空間大尺度的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。”彭承志說。

量子干線串聯(lián)神州

量子京滬干線、量子武合干線……一條條看不見的高速公路正在延伸,如同穿針引線一般,將沿線各大城市串聯(lián)起來。即將在這些干線上風(fēng)馳電掣的,不是大小汽車,而是海量加密數(shù)據(jù)。

這些量子通信干線建成后,所經(jīng)之地的居民們會(huì)感受到哪些變化呢?

“老百姓恐怕感覺不到什么。”京滬干線總工程師、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳宇翱笑道,“因?yàn)殡S著量子通信的發(fā)展,信用卡盜刷、電信詐騙等問題會(huì)越來越少。放心多了,煩惱少了,就像身體沒病沒痛,大家當(dāng)然沒什么感覺啦。”

玩笑歸玩笑。量子干線開通后,勢(shì)必給傳統(tǒng)的銀行、證券、保險(xiǎn)、數(shù)據(jù)中心等行業(yè)的信息安全帶來大幅提升,推動(dòng)量子通信技術(shù)應(yīng)用深入各行各業(yè),形成戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)。

例如最近入駐上海的中國電信量子保密通信產(chǎn)業(yè)化基地和即將啟動(dòng)的跨上海城區(qū)量子保密通信城域骨干網(wǎng),就將在金融、政務(wù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域展露身手。

對(duì)科學(xué)家而言,量子干線不僅是極具應(yīng)用價(jià)值的安全數(shù)據(jù)通道,也是促進(jìn)基礎(chǔ)科研發(fā)展的大型裝置平臺(tái)。未來,科研人員會(huì)在上面做很多實(shí)驗(yàn),諸如時(shí)頻傳遞、干涉儀,測(cè)重力等基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)。

陳宇翱說:“與常規(guī)實(shí)驗(yàn)室相比,量子干線為一些需要遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)提供了契機(jī)。比如,未來將會(huì)開通武漢到合肥的干線,武漢擁有全國目前最精準(zhǔn)的原子鐘,把武漢的時(shí)鐘信號(hào)傳到合肥,我們就可以將氦原子常數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)再精確上好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。”“這有助于將不同地方的科研優(yōu)勢(shì)整合起來,很多研究工作將會(huì)因此更進(jìn)一步。”

量子團(tuán)隊(duì)抒寫傳奇

以中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉為首席科學(xué)家的量子研究團(tuán)隊(duì),是一支堪稱年輕的隊(duì)伍。潘建偉、彭承志等“70”后和陳宇翱、張強(qiáng)、陸朝陽等“80后”組成了團(tuán)隊(duì)的中堅(jiān)力量。

彭承志說:“這是因?yàn)榱孔油ㄐ疟揪褪且粋(gè)年輕的領(lǐng)域。但我們的團(tuán)隊(duì)里,也有很多傳統(tǒng)工程領(lǐng)域的年長(zhǎng)學(xué)者。這樣,我們就形成了一個(gè)有傳承、有梯度的團(tuán)隊(duì)。既有經(jīng)驗(yàn),也有闖勁;能出新東西,也不乏把控風(fēng)險(xiǎn)的意識(shí)。”“越膽大,就越心細(xì);越創(chuàng)新,就越嚴(yán)謹(jǐn)!”

就是這樣一支隊(duì)伍,在十多年間創(chuàng)造了諸多奇跡:2006年,他們?cè)谑澜缟鲜状螌?shí)現(xiàn)了安全距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn);2008年,在合肥市實(shí)現(xiàn)了國際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò);2009年,采用誘騙態(tài)方案的量子通信距離率先突破至200公里;2011年底,中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正式立項(xiàng);2012年,他們?cè)诤戏适薪ǔ闪耸澜缟鲜讉(gè)覆蓋整個(gè)城區(qū)的規(guī);孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò);2013年,成功開發(fā)了國際上迄今為止最先進(jìn)的室溫通信波段單光子探測(cè)器……

2016年,墨子升空,干線貫通,天地一體化戰(zhàn)略初具規(guī)模。相信在不遠(yuǎn)的將來,量子通信將徹底改變從國家到個(gè)人的信息安全狀況。

這些一次又一次抒寫傳奇的人們,并不喜歡一遍又一遍復(fù)述他們攻堅(jiān)克難的往事。陳宇翱說:“我們一路走來,困難也很多。但你要讓我舉例,我舉不出來——那些都是已經(jīng)跨過去的坎兒了。”

量子京滬干線應(yīng)用示范


 

量子星模型


 

衛(wèi)星與臺(tái)站建立星地鏈路


 

興隆人員控制望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)

 

量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院院士潘建偉:

未來量子密碼會(huì)進(jìn)入千家萬戶

經(jīng)過近20年的發(fā)展,量子通信技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室演示走向產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化,目前正在朝著高速率、遠(yuǎn)距離、網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展。由于量子通信是事關(guān)國家信息安全和國防安全的戰(zhàn)略性領(lǐng)域,且有可能影響未來信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展格局,因此已經(jīng)成為世界歐美日等主要發(fā)達(dá)國家優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略性科技領(lǐng)域。

值得欣慰的是,近年來,在中科院、科技部、基金委等部門以及有關(guān)國防部門的大力支持下,我國科學(xué)家在發(fā)展可實(shí)用量子通信技術(shù)方面開展了系統(tǒng)性的深入研究,在產(chǎn)業(yè)化預(yù)備方面一直處于國際領(lǐng)先水平。

未來,隨著量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn),作為保障未來信息社會(huì)通信安全的關(guān)鍵技術(shù),量子保密通信極有可能會(huì)進(jìn)入千家萬戶,服務(wù)于大眾,成為電子政務(wù)、電子商務(wù)、電子醫(yī)療、生物特征傳輸和智能傳輸系統(tǒng)等各種電子服務(wù)的驅(qū)動(dòng)器,為當(dāng)今這個(gè)高度信息化的社會(huì)提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和最可靠的安全保障。

可以預(yù)期,估計(jì)在10年左右的時(shí)間內(nèi),有可能會(huì)逐步形成一個(gè)“天地一體化”的量子保密通信基礎(chǔ)設(shè)施。在這一設(shè)施的支撐之下,就可以構(gòu)建具有高強(qiáng)度信息安全保障的未來互聯(lián)網(wǎng),并且隨著應(yīng)用的不斷推廣,量子通信技術(shù)或許就會(huì)走進(jìn)千家萬戶。同樣的,在10年左右的時(shí)間內(nèi),專用量子計(jì)算機(jī),即量子模擬機(jī)將有望成為現(xiàn)實(shí),在處理某些特定問題的能力上超越目前的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。但是具有實(shí)用價(jià)值的通用量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn),可能還需20年、30年,甚至更長(zhǎng)一點(diǎn)的時(shí)間。但我相信,在我們這代人的有生之年里,應(yīng)該可以看到以量子通信為安全保障、以量子計(jì)算機(jī)為服務(wù)終端的全新未來互聯(lián)網(wǎng)的誕生。(本報(bào)記者李晨陽采訪整理)

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