量子传态:天地组网传捷报

李晨阳

2016年12月19日08:45  来源:《中国科学报》
 
原标题:量子传态:天地组网传捷报

  卫星与台站建立星地链路

  ■本报记者 李晨阳

  今年8月16日凌晨发射升空的“墨子号”量子卫星,已经遨游太空4个多月了,目前正处于在轨测试阶段。与此同时,“京沪干线”广域量子通信骨干网络工程即将全线开通,“武合干线”及武汉量子保密通信城域网也签约开建。

  随着捷报频频传来,世界上第一个天地一体化的量子通信网已然初具规模。而“量子”与“卫星”的奇异组合也渐渐褪去神秘面纱,越来越被人们所熟知和了解。

  量子联网沟通天地

  关注量子卫星的人,一定都忘不了“墨子号”与地面四大台站建立星地链路时那惊心动魄的一幕:绿色信标光从卫星上投下,红色信标光自地面站发出,在延时摄影曝光下,全世界都见证了双方光束精准对接的瑰丽画面。那阵势,仿佛中国古典传说里,两位绝世高手正在比拼内力。

  “在卫星和地面站之间实现量子态的传递和测量,并且在此基础上开展实验,是‘墨子号’三大科学任务的一个共同特点。”量子卫星科学应用系统总师、中国科技大学研究员彭承志说,“这也是量子卫星区别于其他卫星的一个重要方面。”正是这一特点,赋予了量子卫星通天接地、大开大合的气势。

  所谓“墨子号”的三大科学任务,是指星地高速量子密钥分发实验、星地量子纠缠分发实验和地星量子隐形传态实验。前者是为了实现更广范围乃至全球范围的量子通信,后两者则旨在宏大尺度上开展对量子理论本身的检验。

  彭承志告诉《中国科学报》记者,为了实现这些目标,必须从两大方面着手:其一是研制卫星上的有效载荷——在量子卫星堪称娇小的身体上,负载着4个与众不同的装置:能生成单个光量子的激光器、能制造成对纠缠态光量子的量子纠缠源,以及分别将单个光量子和纠缠态光量子发射至地面实验站的量子密钥通信机和量子纠缠发射机。

  其二是在地面上打造能与卫星良好互动的地面站,包括承担量子密钥分发实验的北京兴隆站和新疆南山站、负责量子纠缠态分发实验的青海德令哈站和云南丽江站、进行量子隐形传态的西藏阿里站。

  “卫星、台站,再加上量子京沪干线,共同形成了一个联合空间大尺度的量子科学实验室。”彭承志说。

  量子干线串联神州

  量子京沪干线、量子武合干线……一条条看不见的高速公路正在延伸,如同穿针引线一般,将沿线各大城市串联起来。即将在这些干线上风驰电掣的,不是大小汽车,而是海量加密数据。

  这些量子通信干线建成后,所经之地的居民会感受到哪些变化?

  “老百姓恐怕感觉不到什么。”京沪干线总工程师、中国科学技术大学教授陈宇翱笑道,“因为随着量子通信的发展,信用卡盗刷、电信诈骗等问题会越来越少。放心多了、烦恼少了,就像身体没病没痛,大家当然没什么感觉啦。”

  玩笑归玩笑。量子干线开通后,势必给传统的银行、证券、保险、数据中心等行业的信息安全带来大幅提升,推动量子通信技术应用深入各行各业,形成战略性的新兴产业。

  例如最近入驻上海的中国电信量子保密通信产业化基地和即将启动的跨上海城区量子保密通信城域骨干网,就将在金融、政务、大数据、云计算、互联网等领域展露身手。

  对科学家而言,量子干线不仅是极具应用价值的安全数据通道,也是促进基础科研发展的大型装置平台。未来,科研人员会在上面做很多实验,诸如时频传递、干涉仪,测重力等基础研究实验。

  陈宇翱说:“与常规实验室相比,量子干线为一些需要远距离信号传输的实验提供了契机。比如,未来将会开通武汉到合肥的干线,武汉拥有全国目前最精准的原子钟,把武汉的时钟信号传到合肥,我们就可以将氦原子常数的测量数据再精确上好几个数量级。这有助于将不同地方的科研优势整合起来,很多研究工作将会因此更进一步。”

  量子团队抒写传奇

  以中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟为首席科学家的量子研究团队,是一支年轻队伍。潘建伟、彭承志等“70后”和陈宇翱、张强、陆朝阳等“80后”组成了团队的中坚力量。

  彭承志说:“这是因为量子通信本就是一个年轻的领域。但我们的团队里,也有很多传统工程领域的年长学者。这样,我们就形成了一个有传承、有梯度的团队。既有经验,也有闯劲;能出新东西,也不乏把控风险的意识。”“越胆大,就越心细;越创新,就越严谨!”

  就是这样一支队伍,在十多年间创造了诸多奇迹:2006年,他们在世界上首次实现了安全距离超过100公里的光纤量子密钥分发实验;2008年,在合肥市实现了国际上首个全通型量子通信网络;2009年,采用诱骗态方案的量子通信距离率先突破至200公里;2011年底,中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项;2012年,他们在合肥市建成了世界上首个覆盖整个城区的规模化量子通信网络;2013年,成功开发了国际上迄今为止最先进的室温通信波段单光子探测器……

  2016年,墨子升空,干线贯通,天地一体化战略初具规模。相信在不远的将来,量子通信将彻底改变从国家到个人的信息安全状况。

  这些一次又一次抒写传奇的人们,并不喜欢一遍又一遍复述他们攻坚克难的往事。陈宇翱说:“我们一路走来,困难也很多。但你要让我举例,我举不出来——那些都是已经跨过去的坎儿了。”

  量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟:

  未来量子密码会进入千家万户

  经过近20年的发展,量子通信技术已经从实验室演示走向产业化和实用化,目前正在朝着高速率、远距离、网络化的方向快速发展。由于量子通信是事关国家信息安全和国防安全的战略性领域,且有可能影响未来信息产业的发展格局,因此已经成为世界主要发达国家优先发展的战略性科技领域。

  值得欣慰的是,近年来,在中科院、科技部、基金委等部门以及有关国防部门的大力支持下,我国科学家在发展可实用量子通信技术方面开展了系统性的深入研究,在产业化预备方面一直处于国际领先水平。

  未来,随着量子通信技术的产业化和广域量子通信网络的实现,作为保障未来信息社会通信安全的关键技术,量子保密通信极有可能会进入千家万户,服务于大众,成为电子政务、电子商务、电子医疗、生物特征传输和智能传输系统等各种电子服务的驱动器,为当今这个高度信息化的社会提供基础的安全服务和最可靠的安全保障。

  可以预期,在未来10年左右,有可能逐步形成一个“天地一体化”的量子保密通信基础设施。在这一设施的支撑之下,就可以构建具有高强度信息安全保障的未来互联网,并且随着应用的不断推广,量子通信技术或许就会走进千家万户。

  同样的,在约10年内,专用量子计算机,即量子模拟机将有望成为现实,在处理某些特定问题的能力上可以超越目前的经典超级计算机。但是具有实用价值的通用量子计算机的实现,可能还需20年、30年,甚至更长时间。但我相信,在我们这代人的有生之年里,应该可以看到以量子通信为安全保障、以量子计算机为服务终端的全新未来互联网的诞生。

  (本报记者李晨阳采访整理)

(责编:魏艳、赵竹青)

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