中國領(lǐng)跑：量子技術(shù)突破天空限制

中國領(lǐng)跑：量子技術(shù)突破天空限制

不知不覺間，全球第一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空已滿一整年。8月10日，這顆衛(wèi)星的首席科學(xué)家、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院聯(lián)合研究團隊向外界又公布了一項重大成果——“墨子號”在國際上第一次成功實現(xiàn)了“千公里級”的星地雙向量子通信。

《自然》雜志的物理科學(xué)主編卡爾·齊姆勒斯感慨“這是十分令人激動的消息”，并給出評價：“以前人們會說量子技術(shù)的極限在天邊，但這說法其實有些保守了。”潘建偉團隊這些實驗中，量子技術(shù)就已經(jīng)突破“天空的限制”，并將應(yīng)用型量子通信技術(shù)方面的研究提升到如此的“天文高度”。

不久之前，潘建偉團隊在國際上率先實現(xiàn)“千公里級”的星地雙向量子糾纏分發(fā)，并將成果發(fā)表在6月16日的《科學(xué)》雜志上，完成了“墨子號”一項科學(xué)任務(wù)即“星地雙向量子糾纏分發(fā)”；如今則將另外兩項任務(wù)，高速星地量子密鑰分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)一并完成，相關(guān)成果已在線發(fā)表在8月10日的《自然》雜志上。

至此，屬于中國的“墨子號”量子衛(wèi)星，已提前完成預(yù)先設(shè)定的三大科學(xué)目標。在8月4日的媒體見面會上，中國科學(xué)院院長白春禮對媒體表示，“（‘墨子號’量子衛(wèi)星）系列成果贏得了巨大國際聲譽，標志著我國量子通信領(lǐng)域的研究在國際上達到‘全面領(lǐng)先’的優(yōu)勢地位?！?/p>

星地量子密鑰分發(fā)實驗

關(guān)乎“無條件安全通信方式”的實驗：投稿最早，發(fā)表最晚

千百年來，人們對于通信安全的追求從未停止。然而，基于計算復(fù)雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù)，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數(shù)學(xué)和計算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。

1999年，傳統(tǒng)加密算法RSA512被破解；2009年，RSA768被破解；“尚未被破解”的RSA1024，也被認為“被破解是早晚的事”。至于所謂下一代標準密碼“配對密碼”，則在2012年就已經(jīng)被破解。2017年2月，谷歌破解了廣泛應(yīng)用于文件數(shù)字證書中的SHA-1算法。以至于有人說，“人們懷疑，以人類的才智無法構(gòu)造人類自身不可破解的密碼”。

然而，量子力學(xué)100多年的發(fā)展，卻給人類帶來另一種可能。

潘建偉說，與經(jīng)典通信不同，量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠兩地的用戶，可共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密——這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。

這其中一個重要的研究內(nèi)容，就是量子密鑰分發(fā)。

按照潘建偉的說法，這個名為“量子密鑰分發(fā)”的實驗，關(guān)乎量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的“可行性”，關(guān)乎所謂“絕對通信安全”的未來，因此其結(jié)果包括其過程中的一些數(shù)據(jù)，都備受科學(xué)家關(guān)注。

在接受媒體采訪時，潘建偉透露，“量子密鑰分發(fā)”這個成果的投稿時間，要比“星地雙向量子糾纏分發(fā)”這個成果早兩周左右，但最終發(fā)表的時間，卻晚了將近兩個月——后者是6月16日，前者是8月10日。

“大家對這個實驗太關(guān)注了，《自然》雜志不斷要求我們提供相關(guān)實驗細節(jié)和數(shù)據(jù)，來讓其他同行將來能夠重復(fù)、驗證我們的實驗結(jié)果，我們只好不斷地往外‘掏’實驗數(shù)據(jù)。”潘建偉說。

千公里級密鑰分發(fā)：通信速率比傳統(tǒng)技術(shù)提升萬億億倍

不過，文章最終通過了《自然》雜志審稿人的“把關(guān)”，并得以發(fā)表。

星地量子隱形傳態(tài)實驗

《自然》雜志的審稿人稱贊星地量子密鑰分發(fā)成果是 “令人欽佩的成就”和“本領(lǐng)域的一個里程碑”，并稱“毫無疑問將引來量子信息、空間科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家和普通大眾的高度興趣，并獲得公眾媒體極為廣泛的報道”。

所謂密鑰分發(fā)實驗，要以量子力學(xué)一些“原理”的成立為前提。比如，“量子不可克隆定理、量子不可分割”，使得“存在竊聽必然被發(fā)現(xiàn)”，而量子的“一次一密，完全隨機”，又讓“加密內(nèi)容不可破譯”成為現(xiàn)實。

卡爾·齊姆勒斯也提到，量子密鑰是保障通信極高保密性的關(guān)鍵。他說：“在沒有密鑰的情況下，是無法讀到這些通信的，如果有他人竊聽了你的密鑰，量子力學(xué)的原理保證了你一定會知道，從而你通信的安全性又上了一層樓?！?/p>

如今，這種量子密鑰分發(fā)的設(shè)想，在更遠的距離即千公里級完成了實驗。

具體來看，量子密鑰分發(fā)實驗采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號，地面接收的方式，“墨子號”量子衛(wèi)星過境時，與河北興隆地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。

根據(jù)“墨子號”實驗結(jié)果，在1200公里通信距離上，衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300kbit的安全密鑰，平均成碼率可達1.1kbps。

這些數(shù)據(jù)背后有一個對比結(jié)果，即“星地量子密鑰”的傳輸效率，比傳統(tǒng)的技術(shù)——也就是同等距離地面光纖信道，要高出20個數(shù)量級，即提升萬億億倍。

潘建偉說，這就為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。未來，他希望以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實現(xiàn)地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴展到覆蓋全球。

正如量子衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授彭承志所說，下一步他們要在提升衛(wèi)星的覆蓋范圍上攻關(guān)，通過高軌衛(wèi)星或者“量子星座”網(wǎng)絡(luò)的方式，最終能夠?qū)崿F(xiàn)全天時的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

“領(lǐng)跑者”來了：中國開啟全球化量子通信大門

在媒體見面會上，白春禮宣布量子衛(wèi)星全部既定科學(xué)目標均已提前完成，就意味著“為（量子科學(xué)衛(wèi)星）項目本身畫上了一個圓滿的句號”。

不過，這并不是說中國量子科技之路就此打住，而更意味著一個新的開始。

白春禮說，與此同時“墨子號”也開啟了全球化量子通信、空間量子物理學(xué)和量子引力實驗檢驗的大門，為我國在國際上搶占了量子科技創(chuàng)新制高點，成為國際同行的標桿，實現(xiàn)了成為“領(lǐng)跑者”的轉(zhuǎn)變。

潘建偉也提到，在完成既定科學(xué)任務(wù)后，“墨子號”也制訂了后續(xù)拓展實驗計劃，包括基于糾纏的量子密鑰、全天時量子通信等，已經(jīng)在緊張、順利地進行。預(yù)計在衛(wèi)星設(shè)計壽命期內(nèi)，還將有更多的科學(xué)成果陸續(xù)發(fā)布。

《自然》雜志8月10日發(fā)表的另一篇潘建偉團隊文章，則是關(guān)于量子隱形傳態(tài)，它利用量子糾纏，可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)，精確傳送到遙遠地點，而物體本身卻不需要移動。

在卡爾·齊姆勒斯看來，這是量子力學(xué)中“最著名卻神秘莫測”的方面。他說，在這個實驗中，潘建偉團隊展示了如何用處于糾纏態(tài)的光子，來實現(xiàn)這一點。

具體來看，“墨子號”量子衛(wèi)星過境時，與海拔5100米的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產(chǎn)生8000個“量子隱形傳態(tài)事例”，地面向衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，實驗通信距離從500公里到1400公里，所有6個待傳送態(tài)，均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。

按照潘建偉的說法，假設(shè)在同樣長度的光纖中重復(fù)這一工作，需要3800億年——也就是宇宙年齡的20倍，才能觀測到1個事例。

《自然》雜志審稿人稱，“這些結(jié)果代表了遠距離量子通信持續(xù)探索中的重大突破”“這個目標非常新穎并極具挑戰(zhàn)性，它代表了量子通信方案現(xiàn)實實現(xiàn)中的重大進步”。

向“重技術(shù)輕科學(xué)”開刀：更多科學(xué)衛(wèi)星成果將陸續(xù)發(fā)布

值得一提的是，除了“墨子號”量子衛(wèi)星外，中國科學(xué)院在“十二五”啟動實施的空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項中其他三顆衛(wèi)星均已成功發(fā)射。按照白春禮的說法，“悟空號”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星、實踐十號返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星、“慧眼號”硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星也都已經(jīng)獲得大量科學(xué)數(shù)據(jù)，相關(guān)科學(xué)成果將陸續(xù)發(fā)布。

多年來，作為一個航天大國，我們在空間技術(shù)以及空間應(yīng)用方面做出了讓世人矚目的成績，但在中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心主任、空間科學(xué)先導(dǎo)專項科學(xué)衛(wèi)星工程常務(wù)副總指揮吳季看來，從航天大國轉(zhuǎn)變成一個航天強國的時候，空間科學(xué)領(lǐng)域是我們的一個短板，“如果要彌補這一短板，必須轉(zhuǎn)變重技術(shù)、輕科學(xué)的做法”。

星地雙向量子糾纏分發(fā)實驗

據(jù)吳季透露，面向“十三五”“十四五”，中國科學(xué)院方面已經(jīng)部署了多個科學(xué)衛(wèi)星計劃，這些計劃聚焦當(dāng)前國際重大基礎(chǔ)科學(xué)前沿，包括宇宙的起源、黑洞、引力波、系外行星探測、太陽系資源勘探、太陽爆發(fā)機理、地球空間暴及其粒子逃逸、水循環(huán)和全球變化的關(guān)系等。

這其中，中國科學(xué)院與歐洲航天局聯(lián)合支持的太陽風(fēng)—磁層相互作用全景成像衛(wèi)星（SMILE）已經(jīng)立項實施，愛因斯坦探針衛(wèi)星（EP）、先進天基太陽天文臺衛(wèi)星（ASO-S）已經(jīng)啟動立項綜合論證。吳季說，希望通過這些項目的實施，力爭使我國在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更多的重大突破。

在6月16日，中國率先實現(xiàn)“千公里級”星地雙向量子糾纏分發(fā)時，潘建偉就提到，沒做成（這項實驗）時，外界有很多懷疑，如今花費這么多時間做成了，國際上都紛紛表示要“盡可能趕上”。

正如一位美國同行所說，雖然第一艘宇航飛船和第一個人造衛(wèi)星都是蘇聯(lián)做出來的，但美國卻是登月的第一個國家。他們覺得只要努力，就可以在量子領(lǐng)域趕超中國。潘建偉說：“所以，我們不敢懈怠?！?/p>

如今，在“墨子號”量子衛(wèi)星預(yù)定科學(xué)任務(wù)全部完成之時，白春禮又說了同樣意思的一番話：“創(chuàng)新永無止境，也容不得半點懈怠，不進則退、慢進也是退。”他說，目前，我們在量子通信研究領(lǐng)域保持著領(lǐng)跑優(yōu)勢，但競爭日趨激烈。美國已經(jīng)發(fā)布了新的量子科研計劃，歐盟、日本也在加緊研究，在新一輪的科研比拼中，我們面臨的形勢之嚴峻和壓力之大，都將超過以往。

（來源：中國青年報）