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量子通信有可行性,海量信息将“无条件”安全

subtitle 南方都市报06-17 05:35 跟贴 112 条

  2016年7月发射的量子卫星搭载有效载荷(重量640公斤)

  1 从卫星上发一连串单光子

  2 地面光学实验站接到信号之后进行解码,如果成功,就相当于完成通信

  3 如果在卫星的帮助之下,地面上的两个实验站能够进行安全通信,就可以组织通信网络。

  2016年12月22日,云南丽江观测站,潘建伟(前排右二)、彭承志(后排右一)等科研人员在做实验。

  2016年12月10日,在西藏阿里观测站,“墨子号”量子科学实验卫星过境。(合成照片)

  6月15日凌晨,青海小城德令哈,一束明亮的绿光出现在量子通信地面站上空东北方向,沿着轨道在若隐若现的云月之间穿行,数分钟后消失在东南方。德令哈是量子卫星的地面站之一,“墨子号”就是在相距1203公里的德令哈站和云南丽江站之间实现量子纠缠分发的。

  6月16日,中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队宣布,日前利用“墨子号”量子科学实验卫星,在国际上率先成功实现千公里级的星地双向量子纠缠分发,并在此基础上实现了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。国际权威学术期刊《科学》,以封面论文的形式发表了该成果。

  新疆南山、河北兴隆、云南丽江、青海德令哈、西藏阿里,是中国量子卫星的5个地面站。这5个站点中4个在大西部。据了解,这既有量子纠缠分发远距离传输的需要,也因为那些地方的空气质量好,激光传输不易受雾霾等因素影响。

  好比万米高空扔硬币 在地面用存钱罐接住

  “丁零零,丁零零。是地球吗?这是来自太空的量子线呼叫。”这句科幻般的描写不是小说,而是《科学》杂志为中国此次论文所写简介的标题。这篇题为《基于卫星的纠缠分发距离超过1200公里》的论文说,通过“墨子号”向地面发射光子,每对处于纠缠状态的光子中的一个发向青海德令哈站,另一个发向云南丽江站,两个地面站之间的距离达到1203公里。这是世界上首次实现千公里量级的量子纠缠。

  “墨子号”科学应用系统总设计师彭承志说,“这是量子卫星上天以来迄今为止发布的最大成果。”要让量子通信实用化,需要实现量子纠缠的远距离分发。但量子地面传输无论通过光纤或大气都有较大信号损耗,此前国内外地面实验的分发距离一直停留在百公里量级。解决这个问题的一个有效办法,就是利用卫星向地面分发。作为世界首颗量子科学实验卫星,“墨子号”星地纠缠分发的传输衰减,仅是同样距离地面衰减的万亿分之一。但这种方式对精度要求极高,好比从万米高空飞机上扔下一连串硬币,在地面用存钱罐接住,位置、角度、接收顺序须丝毫不差。

  构建全球量子通信网络 此次技术验证有可行性

  两个处于纠缠状态的量子就像有“心灵感应”,无论相隔多远,一个量子状态变化,另一个也会随之改变。爱因斯坦称之为“鬼魅般的远距作用”。中国量子卫星此次实现的就是“千里之外”的“鬼魅感应”。从以往百公里级到千公里级,“墨子号”将量子纠缠分发的世界纪录提高了一个数量级。这也让量子通信向实用化迈进了一大步,并从技术上验证了构建全球量子通信网络的可行性。未来,利用卫星的中转,甚至可以实现地面上相距数千公里甚至覆盖全球的广域量子保密通信。

  本次实验成果,也是量子通信向信息安全“终极武器”方向迈出的历史性步伐。在量子保密通信中,由于量子的不可分割、不可克隆和测不准的特性,所以一旦存在窃听就必然会被发送者察觉并规避。正如中国量子卫星项目首席科学家潘建伟所说,如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的“网”,那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。当这张纵横寰宇的量子通信“天地网”织就,海量信息将在其中来去无影,并且“无条件”安全。 新华社

  科普

  量子:

  物理学中常用到量子概念,它是构成物质的基本单元,是能量的最基本携带者,不可再分割。普朗克在1900年首次提出量子概念,经爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔、玻恩等科学巨擘不断完善,量子力学理论在20世纪前半期初步成形,目前还在不断发展中。

  量子纠缠:

  这是一种奇怪的量子力学现象,处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联,其中一个量子状态发生改变(比如人们对其进行观测),另一个的状态会瞬时发生相应改变。

  量子纠缠分发:

  将一对有“感应”的量子分置于两地,通过观察两个点的测量结果是否符合贝尔不等式,来检验量子纠缠的存在。这尤其适用于保密通信,在此基础上的量子通信技术被誉为信息安全的“终极武器”。

  “墨子号”量子卫星

  具备两套独立的有效载荷指向机构,通过姿控指向系统协同控制,可与地面上相距千公里量级的两处光学站同时建立量子光链路。

  量子通信的安全性

  基于量子物理基本原理,单光子的不可分割性和量子态的不可复制性,保证了信息的不可窃听和不可破解,从原理上确保身份认证、传输加密以及数字签名等的无条件安全,可从根本上、永久性解决信息安全问题。

  释疑

  量子纠缠分发具体怎样实现?

  彭承志(量子卫星科学应用系统总设计师):“墨子号”卫星运行在500公里高的轨道上,卫星上的纠缠源设备每秒产生800万个纠缠光子对。卫星经过中国上空时,同时与青海德令哈站和云南丽江站两个地面站建立光链路,跟瞄精度达到0.4微弧度,从而实现持续稳定的纠缠分发。我们以每秒1对的速度在地面超过1200公里的这两个站之间建立两个光子的量子纠缠,该量子纠缠的传输衰减仅仅是同样距离地面光纤的一万亿分之一。

  为什么用卫星开展量子纠缠分发实验?

  彭承志:量子纠缠非常脆弱,会随着光子在光纤内或者地表大气中的传输距离增加而衰减,以往的量子纠缠分发实验只停留在100公里级的物理距离。星地量子纠缠分发作为“墨子号”卫星的主要科学实验任务之一,是国际上首次在空间尺度上开展的量子纠缠分发实验。

  这是“墨子号”上天以来最大成果?

  彭承志:这是量子卫星上天以来迄今为止的最大成果,除了量子纠缠分发实验外,“墨子号”的其他科学实验任务,包括高速星地量子密钥分发、地星量子隐形传态等,也在紧张进行中,预计今年会有更多的科学成果陆续发布。

  这个成果将来有什么用?

  彭承志:最直接的一个应用,基于所实现的千公里纠缠分发,可以在两地之间直接建立安全密钥,这是目前无需借助可信中继,在千公里的距离建立安全量子密钥的唯一方式;另一个直接的应用是利用纠缠分发来实现量子隐形传态方案,用于量子态的远程制备和操纵,在分布式量子网络中非常有用。

  下一步目标是什么?

  彭承志:下一步我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,解决目前只能在地影区工作的限制,最终能够实现全天时的量子通信网络。

  (原标题:量子通信有可行性)

原标题:量子通信有可行性

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