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量子傳態:天地組網傳捷報

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今年8月16日凌晨發射升空的“墨子號”量子衛星,已經遨游太空4個月了,目前正處于在軌測試階段。與此同時,“京滬干線”廣域量子通信骨干網絡工程即將全線開通,“武合干線”及武漢量子保密通信城域網也簽約開建。

隨著捷報頻頻傳來,世界上第一個天地一體化的量子通信網已然初具規模。而“量子”與“衛星”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。

量子聯網溝通天地

關注量子衛星的人,一定都忘不了“墨子”與地面四大臺站建立星地鏈路時那驚心動魄的一幕:綠色信標光從衛星上投下,紅色信標光自地面站發出,在延時攝影曝光下,全世界都見證了雙方光束精準對接的瑰麗畫面。那陣勢,仿佛中國古典傳說里,兩位絕世高手正在比拼內力。

“在衛星和地面站之間實現量子態的傳遞和測量,并且在此基礎上開展實驗,是‘墨子號’三大科學任務的一個共同特點。”量子衛星科學應用系統總師、中國科技大學研究員彭承志說,“這也是量子衛星區別于其他衛星的一個重要方面。”正是這一特點,賦予了量子衛星通天接地、大開大合的氣勢。

所謂“墨子號”的三大科學任務,是指星地高速量子密鑰分發實驗、星地量子糾纏分發實驗和地星量子隱形傳態實驗。前者是為了實現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量子理論本身的檢驗。

彭承志告訴《中國科學報》記者,為了實現這些目標,必須從兩大方面著手:其一是研制衛星上的有效載荷——在量子衛星堪稱嬌小的身體上,負載著4個與眾不同的裝置:能生成單個光量子的激光器、能制造成對糾纏態光量子的量子糾纏源,以及分別將單個光量子和糾纏態光量子發射至地面實驗站的量子密鑰通信機和量子糾纏發射機。

其二是在地面上打造能與衛星良好互動的地面站,包括承擔量子密鑰分發實驗的北京興隆站和新疆南山站、負責量子糾纏態分發實驗的青海德令哈站和云南麗江站、進行量子隱形傳態的西藏阿里站。

“衛星、臺站,再加上量子京滬干線,共同形成了一個聯合空間大尺度的量子科學實驗室。”彭承志說。

量子干線串聯神州

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起來。即將在這些干線上風馳電掣的,不是大小汽車,而是海量加密數據。

這些量子通信干線建成后,所經之地的居民們會感受到哪些變化呢?

“老百姓恐怕感覺不到什么。”京滬干線總工程師、中國科學技術大學教授陳宇翱笑道,“因為隨著量子通信的發展,信用卡盜刷、電信詐騙等問題會越來越少。放心多了,煩惱少了,就像身體沒病沒痛,大家當然沒什么感覺啦。”

玩笑歸玩笑。量子干線開通后,勢必給傳統的銀行、證券、保險、數據中心等行業的信息安全帶來大幅提升,推動量子通信技術應用深入各行各業,形成戰略性的新興產業。

例如最近入駐上海的中國電信量子保密通信產業化基地和即將啟動的跨上海城區量子保密通信城域骨干網,就將在金融、政務、大數據、云計算、互聯網等領域展露身手。

對科學家而言,量子干線不僅是極具應用價值的安全數據通道,也是促進基礎科研發展的大型裝置平臺。未來,科研人員會在上面做很多實驗,諸如時頻傳遞、干涉儀,測重力等基礎研究實驗。

陳宇翱說:“與常規實驗室相比,量子干線為一些需要遠距離信號傳輸的實驗提供了契機。比如,未來將會開通武漢到合肥的干線,武漢擁有全國目前最精準的原子鐘,把武漢的時鐘信號傳到合肥,我們就可以將氦原子常數的測量數據再精確上好幾個數量級。”“這有助于將不同地方的科研優勢整合起來,很多研究工作將會因此更進一步。”

量子團隊抒寫傳奇

以中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉為首席科學家的量子研究團隊,是一支堪稱年輕的隊伍。潘建偉、彭承志等“70”后和陳宇翱、張強、陸朝陽等“80后”組成了團隊的中堅力量。

彭承志說:“這是因為量子通信本就是一個年輕的領域。但我們的團隊里,也有很多傳統工程領域的年長學者。這樣,我們就形成了一個有傳承、有梯度的團隊。既有經驗,也有闖勁;能出新東西,也不乏把控風險的意識。”“越膽大,就越心細;越創新,就越嚴謹!”

就是這樣一支隊伍,在十多年間創造了諸多奇跡:2006年,他們在世界上首次實現了安全距離超過100公里的光纖量子密鑰分發實驗;2008年,在合肥市實現了國際上首個全通型量子通信網絡;2009年,采用誘騙態方案的量子通信距離率先突破至200公里;2011年底,中科院戰略性先導科技專項“量子科學實驗衛星”正式立項;2012年,他們在合肥市建成了世界上首個覆蓋整個城區的規模化量子通信網絡;2013年,成功開發了國際上迄今為止最先進的室溫通信波段單光子探測器……

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

這些一次又一次抒寫傳奇的人們,并不喜歡一遍又一遍復述他們攻堅克難的往事。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——那些都是已經跨過去的坎兒了。”

量子京滬干線應用示范

量子星模型

衛星與臺站建立星地鏈路

興隆人員控制望遠鏡系統

量子衛星首席科學家、中科院院士潘建偉:

未來量子密碼會進入千家萬戶

經過近20年的發展,量子通信技術已經從實驗室演示走向產業化和實用化,目前正在朝著高速率、遠距離、網絡化的方向快速發展。由于量子通信是事關國家信息安全和國防安全的戰略性領域,且有可能影響未來信息產業的發展格局,因此已經成為世界歐美日等主要發達國家優先發展的戰略性科技領域。

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國防部門的大力支持下,我國科學家在發展可實用量子通信技術方面開展了系統性的深入研究,在產業化預備方面一直處于國際領先水平。

未來,隨著量子通信技術的產業化和廣域量子通信網絡的實現,作為保障未來信息社會通信安全的關鍵技術,量子保密通信極有可能會進入千家萬戶,服務于大眾,成為電子政務、電子商務、電子醫療、生物特征傳輸和智能傳輸系統等各種電子服務的驅動器,為當今這個高度信息化的社會提供基礎的安全服務和最可靠的安全保障。

可以預期,估計在10年左右的時間內,有可能會逐步形成一個“天地一體化”的量子保密通信基礎設施。在這一設施的支撐之下,就可以構建具有高強度信息安全保障的未來互聯網,并且隨著應用的不斷推廣,量子通信技術或許就會走進千家萬戶。同樣的,在10年左右的時間內,專用量子計算機,即量子模擬機將有望成為現實,在處理某些特定問題的能力上超越目前的經典超級計算機。但是具有實用價值的通用量子計算機的實現,可能還需20年、30年,甚至更長一點的時間。但我相信,在我們這代人的有生之年里,應該可以看到以量子通信為安全保障、以量子計算機為服務終端的全新未來互聯網的誕生。

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責任編輯: 閆月

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