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“墨子号”提前圆满完成三大既定科学目标 未来将构建“量子星座”

发布时间: 2017-08-10 10:53:55 来源: 浙江在线 浙江在线记者 曾福泉 刘晨茵

  浙江在线8月10日讯(浙江在线记者曾福泉 刘晨茵)记者8月10日从中国科学院获悉,我国“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次成功实现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,在轨运行仅仅不到一年的时间就提前并圆满实现原定两年完成的三大既定科学目标。

  中科院院士、中国科学技术大学潘建伟教授研究团队联合多家科研机构,日前利用“墨子号”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,两项成果8月10日同时在线发表在国际著名学术期刊《自然》杂志上。

  此前,潘建伟团队已利用“墨子号”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,研究成果发表在《科学》杂志上。至此,“墨子号”量子卫星提前并圆满实现全部三大既定科学目标。

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  “潘建伟教授和他的研究团队顺利完成了三项量子实验的展示,将会是全球任何基于空间的量子网络的核心组成部分,我借此机会表达我们对于这两篇《自然》论文的激动之情。” 《自然》杂志物理科学主编卡尔·齐姆勒斯(Karl Ziemelis)高度评价了“墨子号”量子通信卫星的科学实验成果。他认为,这是中国在物理科学方面的投资及努力的证明,正因为有了这些投资与努力,潘建伟和他的研究团队才能够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。“以前人们会说量子技术的极限在天边,但这说法保守了,这些实验中量子技术已经突破了天空的限制。”

  量子密钥分发通过量子态的传输,在遥远两地的用户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。

  在“墨子号”的星地高速量子密钥分发实验中,卫星发射量子信号,地面接收。“墨子号”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。在1200公里通信距离上,星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级(万亿亿倍)。

  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。此外,将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网(如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线)互联,可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。《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”和“本领域的一个里程碑”。

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  量子隐形传态是量子通信的另一重要内容,也被视为量子力学中最著名却神秘莫测的方面。通过量子隐形传态,可以远距离地将从一个位于地球或太空的物体的量子态信息传送给另一个在地球或太空的物体,而物体本身却不需要移动。

  在“墨子号”的实验中,地面发射纠缠光子,天上接收:“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,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。假设在同样长度的光纤中重复这一工作,需要3800亿年(宇宙年龄的20倍)才能观测到1个事例。

  “墨子号”量子隐形传态的重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究,以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。 《自然》杂志审稿人称赞“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”。

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  星地量子通信研究何以成为国际学术界激烈角逐的焦点?量子通信通常采用单光子作为物理载体,最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输。但这两种信道的损耗都随着距离的增加而指数增加。而利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点,通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信距离。同时,由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势,是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码和量子隐形传态最有希望的途径。

  潘建伟团队一直是探索星地量子通信的先驱者,此前已经完成了一系列先驱性实验。潘建伟介绍,团队的下一步计划是与奥地利、德国、意大利等欧洲量子通信团队合作进行洲际量子密钥分发,在更长远的筹划中,还将发射多颗量子卫星,组成“量子星座”,构建全球量子通信网络。“墨子号”全部三大既定科学目标的成功实现,为我国在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科学与技术基础。


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