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世界首次!中国科学家实现量子卫星全部科学目标 瞄准最前沿三大科学目标

第108期 “墨子号”,量子科学实验卫星,潘建伟, 2017-08-10 09:04:35
来源:必赢亚洲科技网综合(中国青年报、人民日报、中新网)
作者: 编辑:桂楷东
【编者按】

距离全球第一颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空,还有6天就要满一整年了,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抛出了一项重大成果——“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。“墨子号”量子卫星预先设定的三大科学目标全部提前圆满实现,这一重大成果今天(10日)在国际权威学术期刊《自然》在线发表。本期热点聚焦,我们再次将目光聚焦全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”身上。

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

由中国科学技术大学潘建伟教授领衔的中国科学院联合研究团队利用“墨子号”量子科学实验卫星,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。这是继先前在国际上率先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之后,我国科学家利用“墨子号”量子卫星实现的空间量子物理研究另外两项重大突破。

此次圆满完成的星地高速量子密钥分发实验和地星量子隐形传态实验,使得安全通信速率比传统技术提升万亿亿倍,为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了坚实的科学和技术基础,并向空间尺度的量子物理和量子引力的实验探索迈出了第一步。同时,也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。据悉,两项成果拟于8月10日同时在线发表于国际权威学术期刊《自然》杂志上。

星地量子密钥实验:比传统技术传输效率提升万亿亿倍

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。

所谓密钥分发实验,要以量子力学一些“原理”的成立为提前。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。

量子隐形传态实验:传统光纤重复该工作需要3800亿年

《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5100m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”。 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,潘建伟就提到的,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。

详解“墨子号”神奇使命 

在卫星和地面之间这么遥远的距离进行量子实验,这在人类历史上也是首次。那么,“墨子号”量子卫星和地面五大台站一起配合实现的三大科学目标究竟是什么呢?

量子密钥分发 远距离保密通信

量子卫星的第一个任务就是量子密钥分发,通俗地说就是量子保密通信。也就是意味着卫星在轨运行过程中,它会将不同的单光子束分别发送到北京的兴隆站和新疆的南山站,然后地面的工作人员会将接收到的光子进行测量,从而约定密码,最终以实现遥远两地之间绝对安全的量子保密通信。

量子纠缠分发 验证超远距离作用

量子卫星的第二个实验就是量子纠缠分发。实验中,卫星会制备出一对纠缠光子,然后把它们分别发送到位于云南的丽江站和青海的德令哈站。根据量子的纠缠理论,虽然这两个量子的状态不断变化,而且是不确定的,但只要测量其中的一个光子,也就知道了另外一个光子的状态,形象地说就好像是双胞胎的心灵感应。实验人员同时对这两个接收到的光子进行独立测量,从而以验证爱因斯坦所说的这种 “幽灵般的超远距离作用”是否真的存在。

量子隐形传态 量子世界的时空穿越

时空穿越一直是人类的梦想。在量子世界中,这种时空穿越的现象真的存在,这就是量子卫星要进行的第三个实验——量子隐形传态。顾名思义,就是用隐形的方式传输量子的状态。实验中,科研人员会在地面的实验站制备出一对纠缠光子,一个留在地面,一个发送到卫星上。与此同时,科研人员还会再制备出第三个光子,让它和地面的光子发生新的纠缠。按照量子的理论,在地面的两个光子纠缠在一起的同时,天上的光子不再和地面的光子纠缠,反而会呈现出地面上第三个光子的状态,就好像把地面的第三个光子瞬间传送到了空中。“墨子号”卫星提前实现全部既定科学目标。