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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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开路先锋“墨子号”

2018-01-19 18:01:00

  “墨子号”量子科学实验卫星,是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批确定的5颗科学实验卫星之一。该项目是卫星与地面远距离量子科学实验平台,我国将依仗这一平台完成空间大尺度量子科学实验,以期取得量子力学基础物理研究重大突的破和一系列具有国际显示度的科学成果。

  量子通信基于量子物理学的基本原理,它克服了经典加密技术内在的安全隐患,是迄今唯一被严格证明是“无条件安全”的通信方式,可以从根本上解决政务、国防、金融、商业等领域的信息安全问题。目前,基于光纤的城域和城际量子通信技术正在走向实用化和产业化,我国在这方面已经走在了世界前列。但是由于光纤的固有损耗以及单光子状态的不可复制性,目前点对点光纤量子通信的距离难以突破百千米量级。因此,要实现广域乃至全球化的量子通信网络,还需要借助卫星的中转。

  因此,从2003年起,中国科学技术大学潘建伟团队率先开展了远距离自由空间量子通信实验研究。

  2004年底,潘建伟团队实现了13千米自由空间的量子纠缠分发和量子密钥分发,在国际上首次证实了光子纠缠态在穿透大气层后,其量子性质仍然能有效保持,验证了星地量子通信的可行性。此后,在“远距离量子通信实验研究”和“空间尺度量子实验关键技术与验证”两个中科院知识创新工程重大项目的支持下,潘建伟团队联合中科院上海技术物理所、中科院微小卫星工程中心等单位,开展了一系列关键技术突破与地面验证实验,先后实现了16千米级自由空间量子隐形传态、100千米级自由空间量子隐形传态和双向量子纠缠分发、星地量子通信的全方位地基验证等重要实验,为实现星地量子通信奠定了坚实的科学与技术基础。

  在完成上述系列关键技术突破的基础上,2011年底,由中国科学技术大学牵头提出并策划的 “量子科学实验卫星”正式立项 。

  量子科学实验卫星建设和研制任务包括卫星系统、运载火箭系统、发射场系统、地面支撑系统、测控系统和科学应用系统6大系统。中国科学技术大学牵头负责确立整个专项的科学研究目标、总体技术目标和总体实验基本方案,负责科学应用系统的研制,并与中科院上海技术物理所合作完成有效载荷研制,包括负责研制量子纠缠源、量子实验控制与处理机,参与研制量子密钥通信机、量子纠缠发射机;上海微小卫星工程中心负责卫星平台研制;中科院国家天文台和中科院光电技术院负责量子通信面站的建设。量子科学实验卫星突破了包括同时瞄准两个地面站的高精度星地光路对准、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等一系列关键工程技术。

  2016年8月16日1时40分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功地将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。“墨子号”重量约640千克,设计寿命为2年,在高度约 500千米的极地轨道上运行。2017年1月18日,“墨子号”圆满完成了4个月的卫星平台测试、有效载荷自测试和天地一体化链路测试,卫星平台和有效载荷工作一切正常,成功构建了星地单向、星地双向、地星单向量子信道,系统信道效率、时间同步精度、跟踪瞄准精度均超过系统指标要求,可以满足空间量子科学实验的要求。

  按照计划,科学家们将在首席科学家的领导下,完成星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等多项科学实验任务,实现专项预定的科学目标:一是进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间量子保密通信实用化方面取得重大突破;二是在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。截至2017年8月,“墨子号”担负的既定科学目标已圆满实现。

  高速量子密钥分发及广域量子密钥网络实验

  量子密钥分发起源于 1984 年IBM实验室的Bennett和加拿大蒙特利尔大学的Brassard共同提出的量子密钥分发协议,即著名的BB84协议。该协议基于单个光量子不可分割和量子不可克隆原理,发送方和接收方可以采用单光子的状态作为信息载体来建立密钥。而窃听者不能分割和复制单光子,能做的只是截取单光子后测量其状态,然后根据测量结果发送一个相同状态的光子给接收方,但由于窃听者的测量行为会对光子的状态产生扰动,其发送给接收方的光子的状态与其原始状态会存在偏差,那么发送方和接收方可以利用这个偏差探测到窃听行为,并可立刻停止密钥分发,换个地方重新来过,因而保证了量子密钥分发的无条件安全性。Shor、Preskill、Lutken-haus和Mayer等人先后独立地证明了使用理想单光子源的BB84 协议是安全的,并在考虑窃听、噪声、非理想单光子源等条件的情况下,给出了量子密钥的安全成码效率公式。

  1991年,Bennett等人在32厘米的距离上演示了首个量子密钥分发。1995年,中科院物理所吴令安小组在实验室内完成了我国最早的量子密钥分发实验演示。2000年,该小组又与中科院研究生院合作,利用单模光纤完成了1.1千米的量子密钥分发演示实验。2002—2003年间,瑞士日内瓦大学Gisin 小组和我国华东师范大学曾和平小组分别在67 千米和50 千米光纤中演示了量子密钥分发。2004年,英国剑桥大学Shields小组和日本NEC公司分别实现了122千米和150 千米的光纤量子密钥分发演示性实验。2005 年,中国科学技术大学郭光灿小组在北京和天津之间也实现了125千米光纤的量子密钥分发演示性实验。至此,国际上已有3个实验小组声称成功达成了100千米以上的量子通信。

  然而,科学家在理想单光子源的实用化上一直没有满意的结果,只得利用弱相干光源来代替。但由于弱相干光源中存在多光子事件,如同Brassard所指出的,这就存在所谓的“分离光子数”攻击,即窃听者可以将单光子事件完全阻隔,而将多光子事件保留并从中截取一个光子来获得密钥信息。根据理论推算,这些演示实际上在光纤长度超过10千米时已经不安全了。这就严重影响了量子密钥分发技术的实用化。

  2005年,华人科学家王向斌、罗开广、马雄峰和陈凯等人提出了经过严格理论分析的诱骗态方案。他们指出,使用弱相干激光光源就可以得到和理想单光子源几乎一样的安全性和效率。2007年,中国科学技术大学潘建伟小组利用诱骗态方案,在国际上首次将利用诱骗态方案的光纤量子通信安全距离延长到100千米,从而打开了量子密钥分发技术实用化的大门。在此基础上,潘建伟团队在2008年和 2009年先后实现了国际上首个光量子电话网和全通型城域量子通信网络。2009年,潘建伟团队又在世界上率先将诱骗态方案量子密钥分发的安全距离突破至200千米。

  地面光纤网络建成后,他们又将目光投向了通过卫星实现星地之间的量子密钥分发,从而满足更远距离的量子保密通信需求。基于卫星等航天器的空间量子通信有着地面光纤量子通信网络无法比拟的两大优势:一是在同样距离下,光子在光纤中的损耗远高于在自由空间的损耗,光子在自由空间的损耗只来自于光斑的发散、大气对光子的吸收和散射,远小于光纤;二是受到地面条件的限制,很多地方无法铺设量子通信的专用光纤。因此要建设覆盖全球的量子通信网络,必需依赖卫星的中转。

  “墨子号”量子科学实验卫星项目中设置了星地高速量子密钥分发科学实验任务,即在高精度捕获、跟踪、瞄准系统的辅助下,建立地面与卫星之间超远距离的量子信道,实现卫星与地面之间的诱骗态量子密钥分发,因此属于无条件安全的星地量子保密通信实验,为建立全球范围的量子通信网络打下技术基础。

  “墨子号”量子科学实验卫星将在实现高速星地量子密钥分发的基础上,与两个光学地面站及其附属的两个局域光纤量子通信网络相结合,通过卫星中转的方式组建真正意义上的广域量子通信网络。

  量子纠缠分发和贝尔不等式检验

  诺贝尔物理学奖获得者Antho-ny Leggett指出:要实现对量子非定域性的终极检验,还需要引入人的自由意志来彻底杜绝可能存在于各种仪器中的隐变量,这就需要在人的反应时间内来进行类空间隔的贝尔科研人员在安装“墨子号”卫星星箭分离解锁机构。

  不等式检验,那么量子纠缠的分发要达到数十万千米的距离。这样遥远的距离就必须要求在外太空进行。

  同时,量子纠缠是否会受到引力的影响,仍然需要进一步的验证。

  “墨子号”量子科学实验卫星将量子纠缠光源放置于卫星平台上,同时向两个相距千千米级的地面站进行双向量子纠缠分发。在完成量子纠缠分发后,对纠缠光子同时进行独立的量子测量,检验纠缠态在星地大尺度下的纠缠特性。这也标志着在世界上首次开展了空间尺度量子力学非定域性(即贝尔不等式检验)的实验研究,并为未来实现引入自由意志的量子非定域性终极检验奠定技术基础。2017 年 6 月,“墨子号”量子卫星上配置的量子纠缠光源及两套发射望远镜,同时与青海德令哈站和云南丽江站两个地面站建立了光链路,星地建立了向量子信道,此时卫星将纠缠光子发到地面站,由地面站对纠缠光子进行测量。最终获得的实验结果以99.9%的置信度破坏了贝尔不等式,即在1200千米的空间尺度上再次表明,爱因斯坦的愿望落空了。

  这是世界上首次实现千千米级的量子纠缠,将量子纠缠分发的世界纪录提高了一个数量级。

  地星量子隐形传态实验量子隐形传态(Quantum tele-portation),是在量子纠缠的辅助下,将粒子的未知量子态传送到遥远的距离,而不用传送这个粒子本身。因为量子计算需要直接处理量子比特,于是“量子隐形传态”这种直接传的量子比特传输,将成为未来量子计算之间的量子通信方式,多体、多终端、多自由度的量子隐形传态是构建分布式量子信息处理网络的基本单元。

  “墨子号”量子科学实验卫星将通过在地面建立高品质量子纠缠光源,将其中一个光子通过地面发射望远镜发送到卫星平台,在地面将剩余纠缠态与待传送态进行联合纠缠测量,卫星载荷对纠缠光子进行量子测量,从而将地面的某个量子态通过隐形传态的过程传递到卫星平台上,实现基于光子纠缠的地星量子隐形传态实验。

  “墨子号”量子科学实验卫星的成功研制和发射,标志着中国进一步扩大了在量子通信领域国际领先的优势,也标志着在实现一系列空间尺度量子科学实验目标的同时,在量子通信技术实用化上,实现了国家信息安全和信息技术水平跨越式提升。

  2016 年底,由中国科学技术大学牵头承担的国家发改委“京沪干线”广域量子通信骨干网络工程已全线贯通。“京沪干线”已建成连接北京、上海,贯穿济南、合肥等地的,全长约2000千米的大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范平台。未来,这条“干线”可为沿线城市间的金融机构、政府及国家安全部门提供高速、高安全等级的信息传输保障。待到量子科学实验卫星和“京沪干线”结合起来,就将初步构建成我国天地一体化的广域量子通信网络基础设施,推动量子通信技术的深入应用,并形成战略性新兴产业。

  “墨子号”成功实现了国际上首次千千米级的星地双向量子纠缠分发,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。这一重大突破被国际最顶尖的权威学术期刊《科学》以封面形式发表。“墨子号”对加深人类对量子力学基本原理的理解,并为量子力学非定域性的终极检验奠定了基础。此外,空间量子科学实验平台的建立,还将为探索和检验广义相对论、量子引力等物理学基本原理提供全新的手段。

  研究人员在阿里量子隐形传态实验平台操纵设备,准备与“墨子号”联系。

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