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“墨子号”提前实现科学目标 量子技术突破天空限制  星地量子密钥分发实验，2017年5月拍摄于乌鲁木齐南山。多张照片合成了卫星过境的全貌，背景是恒星的星轨。中科院供图  地星量子隐形传态实验，2017年4月拍摄于西藏阿里。中科院供图 《自然》杂志的物理科学主编卡尔·齐姆勒斯感慨“这是十分令人激动的消息（very exciting stuff）”，并给出评价：“以前人们会说量子技术的极限在天边，但这说法其实有些保守了。”潘建伟团队这些实验中，量子技术就已经突破“天空的限制（gone beyond the sky）”，并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（astronomical height）”。 一个多月前，潘建伟团队在国际上率先实现“千公里级”的星地双向量子纠缠分发，并将成果发表在6月16日的《科学》杂志上，完成了“墨子号”一项科学任务即“星地双向量子纠缠分发”；如今则将另外两项任务一并完成：高速星地量子密钥分发和地星量子隐形传态，相关成果已在线发表在8月10日的《自然》杂志上。 至此，属于中国的“墨子号”量子卫星，已提前完成预先设定的三大科学目标。在8月4日的媒体见面会上，中国科学院院长白春礼对中国青年报·中青在线等媒体表示，“（‘墨子号’量子卫星）系列成果赢得了巨大国际声誉，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。” 关乎“无条件安全通信方式”的实验：投稿最早，发表最晚 千百年来，人们对于通信安全的追求从未停止。然而，基于计算复杂性的传统加密技术，在原理上存在着被破译的可能性。随着数学和计算能力的不断提升，经典密码被破译的可能性与日俱增—— 1999年，传统加密算法RSA512被破解；2009年，RSA768被破解；“尚未被破解”的RSA1024，也被认为“被破解是早晚的事”。至于所谓下一代标准密码“配对密码”，则在2012年就已经被破解。2017年2月，谷歌破解了广泛应用于文件数字证书中的SHA-1算法。以至于有人说，“人们怀疑，以人类的才智无法构造人类自身不可破解的密码”。 然而，量子力学100多年的发展，却给人类带来另一种可能。 潘建伟说，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。 按照潘建伟的说法，这个名为“量子密钥分发”的实验，关乎量子保密通信网络的“可行性”，关乎所谓“绝对通信安全”的未来，因此其结果包括其过程中的一些数据，都备受科学家关注。 在接受中国青年报·中青在线等媒体采访时，潘建伟透露，“量子密钥分发”这个成果的投稿时间，要比“星地双向量子纠缠分发”这个成果早两周左右，但最终发表的时间，却晚了将近两个月——后者是6月16日，前者是8月10日。 “大家对这个实验太关注了，《自然》杂志不断要求我们提供相关实验细节和数据，来让其他同行将来能够重复、验证我们的实验结果，我们只好不断地往外‘掏’实验数据。”潘建伟说。 千公里级密钥分发：通信速率比传统技术提升万亿亿倍 不过，文章最终通过了《自然》杂志审稿人的“把关”，并得以发表。 《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（impressive achievement）”和“本领域的一个里程碑（it constitutes a milestone in the field）”，并称“毫无疑问将引来量子信息、空间科学等领域的科学家和普通大众的高度兴趣，并导致公众媒体极为广泛的报道”。 所谓密钥分发实验，要以量子力学一些“原理”的成立为前提。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。 具体来看，量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号，地面接收的方式，“墨子号”量子卫星过境时，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。 根据“墨子号”实验结果，在1200公里通信距离上，卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子，一次过轨对接实验可生成300kbit的安全密钥，平均成码率可达1.1kbps。 这些数据背后有一个对比结果，即“星地量子密钥”的传输效率，比传统的技术——也就是同等距离地面光纤信道，要高出20个数量级，即提升万亿亿倍。 潘建伟说，这就为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。未来，他希望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。 正如量子卫星科学应用系统总师、中国科学技术大学教授彭承志所说，下一步他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，最终能够实现全天时的量子通信网络。 “领跑者”来了：中国开启全球化量子通信大门 在媒体见面会上，白春礼说，宣布量子卫星全部既定科学目标均已提前完成，就意味着“为（量子科学卫星）项目本身画上了一个圆满的句号”。 不过，这并不是说中国量子科技之路就此打住，而更意味着一个新的开始。 白春礼说，与此同时“墨子号”也开启了全球化量子通信、空间量子物理学和量子引力实验检验的大门，为我国在国际上抢占了量子科技创新制高点，成为国际同行的标杆，实现了成为“领跑者”的转变。 潘建伟也提到，在完成既定科学任务后，“墨子号”也制订了后续拓展实验计划，包括基于纠缠的量子密钥、全天时量子通信等，已经在紧张、顺利地进行。预计在卫星设计寿命期内，还将有更多的科学成果陆续发布。 《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。 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”。 向“重技术轻科学”开刀：更多科学卫星成果将陆续发布 值得一提的是，除了“墨子号”量子卫星外，中科院在“十二五”启动实施的空间科学战略性先导专项中其他三颗卫星均已成功发射。按照白春礼的说法，“悟空号”暗物质粒子探测卫星、实践十号返回式科学实验卫星、“慧眼号”硬X射线调制望远镜卫星也都已经获得大量科学数据，相关科学成果将陆续发布。 多年来，作为一个航天大国，我们在空间技术以及空间应用方面做出了让世人瞩目的成绩，但在中国科学院国家空间科学中心主任、空间科学先导专项科学卫星工程常务副总指挥吴季看来，从航天大国转变成一个航天强国的时候，空间科学领域是我们的一个短板，“如果要弥补这一短板，必须转变重技术、轻科学的做法”。 据吴季透露，面向“十三五”“十四五”，中科院方面已经部署了多个科学卫星计划，这些计划聚焦当前国际重大基础科学前沿，包括宇宙的起源、黑洞、引力波、系外行星探测、太阳系资源勘探、太阳爆发机理、地球空间暴及其粒子逃逸、水循环和全球变化的关系等。 这其中，中科院与欧洲航天局联合支持的太阳风-磁层相互作用全景成像卫星（SMILE）已经立项实施，爱因斯坦探针卫星（EP）、先进天基太阳天文台卫星（ASO-S）已经启动立项综合论证。吴季说，希望通过这些项目的实施，力争使我国在基础科学研究领域实现更多的重大突破。 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，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。（来源：中国青年报） 关键词： 量子
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bmw0501 2017-08-15 09:13领先世界，赞