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我国量子卫星实现“一步千里”世界跨越

2017-06-17 05:48 北京日报

来源标题:我国量子卫星实现“一步千里”世界跨越

中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队16日宣布,在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下,利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发,并于此基础上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,在空间量子物理研究方面取得重大突破。

这一重要成果为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。

世界纪录提高一个数量级

量子纠缠分发,就是将一对有“感应”的量子分置于两地。这尤其适用于保密通信,在此基础上的量子通信技术被誉为信息安全“终极武器”。

15日发布的国际权威学术期刊《科学》杂志封面上,“墨子号”从星空向地面发出两道光,宛如两条长腿跨出一大步,也象征量子通信向实用迈进一大步。《科学》杂志在一份简介中将这项中国科学家独立完成的工作称为“一项里程碑式的研究”。论文审稿人认为,这一成果是“兼具潜在实际应用和基础科研重要性的重大技术成就”“毫无疑问将在学术界和广大社会公众中产生非常巨大的影响”。

这篇题为《基于卫星的纠缠分发距离超过1200公里》的论文说,通过“墨子号”向地面发射光子,每对处于纠缠状态的光子中的一个发向青海德令哈站,另一个发向云南丽江站,两个地面站之间的距离达到1203公里。这是世界上首次实现千公里量级的量子纠缠,以往国际学界的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。

“墨子号”科学应用系统总设计师彭承志说:“这是量子卫星上天以来迄今为止发布的最大成果。”

要让量子通信实用化,需要实现量子纠缠的远距离分发。但量子地面传输无论通过光纤或大气都有较大信号损耗,此前国内外地面实验的分发距离一直停留在百公里量级。

解决这个问题的一个有效办法就是利用卫星向地面分发。作为世界首颗量子科学实验卫星,“墨子号”星地纠缠分发的传输衰减仅是同样距离地面衰减的万亿分之一。但这种方式对精度要求极高,好比从万米高空飞机上扔下一连串硬币,在地面用存钱罐接住。

迈出保密通信历史性步伐

从百公里级到千公里级,中国量子卫星的成就,让量子通信向实用化迈进了一大步,并从技术上验证了构建全球量子通信网络的可行性。未来,利用卫星的中转,甚至可以实现地面上相距数千公里甚至覆盖全球的广域量子保密通信。

本次实验成果,也是量子通信向信息安全“终极武器”方向迈出的历史性步伐。在量子保密通信中,由于量子的不可分割、不可克隆和测不准的特性,一旦存在窃听就必然会被发送者察觉并规避。

正如中国量子卫星项目首席科学家潘建伟所说,如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的“网”,那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。当这张纵横寰宇的量子通信“天地网”织就,海量信息将在其中来去如影,并且“无条件”安全。

“这项工作是纠缠分发技术的一个真正突破。”美国麻省理工学院凯克极限量子信息理论中心主任塞思·劳埃德告诉新华社记者,“这项实验表明远距离量子通信确实在技术上可行,让人们看到了在不久的未来构建远程量子通信的希望。”

科普  

量子和量子纠缠分发

这项被誉为“里程碑式”的成果涉及一系列名词,包括量子、量子纠缠、纠缠光子、纠缠分发、贝尔不等式等。

量子:物理学中常用到量子概念,它是构成物质的基本单元,是能量的最基本携带者,不可再分割。比如,光子是光能量的最小单元,不存在“半个光子”。量子这个词来自拉丁语quantus,意为“有多少”,代表“相当数量的某物质”。普朗克在1900年首次提出量子概念,经爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔、玻恩等科学巨擘不断完善,量子力学理论在20世纪前半期初步成形,目前还在不断发展中。

量子纠缠:这是一种奇怪的量子力学现象,处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联,其中一个量子状态发生改变(比如人们对其进行观测),另一个的状态会瞬时发生相应改变。这种“心灵感应”似的神秘关联被称为量子非定域性,爱因斯坦称其为“鬼魅般的远距作用”。

纠缠光子:光子也是一种量子,处于纠缠状态的光子被称为纠缠光子。

纠缠分发:就是把制备好的两个纠缠量子分别发送到相距很远的两个点,通过观察两个点的测量结果是否符合贝尔不等式来检验量子纠缠的存在。这是验证远距离量子力学正确性和实现广域量子网络必不可少的手段。

贝尔不等式:这是1964年由物理学家约翰·贝尔提出的一个数学不等式,在经典物理学中成立,但在量子力学中不成立,这可以验证量子力学理论。虽然过去已有大量实验支持量子力学,但是这些实验设计都存在漏洞。通过无漏洞的实验来检验贝尔不等式,一直是国际物理学界竞争最激烈的挑战之一。

量子卫星:量子卫星的主要目标之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,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。同时,量子卫星在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,将使人类首次具有在空间尺度开展量子科学实验的能力,成为我国在基础物理学领域对世界的又一重要贡献。量子卫星“墨子号”是中国自主研制的世界上首颗空间量子科学实验卫星,于2016年8月16日发射升空,是中科院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。

专家解读  

这项成果究竟有多“牛”?

问:量子纠缠分发是怎样实现的?

彭承志(量子卫星科学应用系统总设计师):“墨子号”卫星运行在500公里高的轨道上,卫星上的纠缠源设备每秒产生800万个纠缠光子对。卫星经过中国上空时,同时与青海德令哈站和云南丽江站两个地面站建立光链路,跟瞄精度达到0.4微弧度,从而实现持续稳定的纠缠分发。我们以每秒1对的速度在地面超过1200公里的这两个站之间建立两个光子的量子纠缠,该量子纠缠的传输衰减仅仅是同样距离地面光纤的一万亿分之一。

问:为什么要用卫星开展量子纠缠分发实验?

彭承志:量子纠缠非常脆弱,会随着光子在光纤内或者地表大气中的传输距离增加而衰减,以往的量子纠缠分发实验只停留在100公里级的物理距离。星地量子纠缠分发作为“墨子号”卫星的主要科学实验任务之一,是国际上首次在空间尺度上开展的量子纠缠分发实验。

亚历山大·谢尔吉延科(美国波士顿大学量子技术专家):使用移动卫星覆盖全球距离的量子通信,已经成为现代量子光学和量子信息研究一个非常活跃的领域。这项技术需要发射卫星,需要与常规天文观测望远镜很大不同的卫星跟踪地面站。这同时是技术能力的挑战和示范。

问:这个实验创下了什么样的纪录?

托马斯·延内魏因(加拿大滑铁卢大学量子技术专家):他们报告了迄今观察到的最大距离的量子纠缠,超过1200公里,这是一个新的记录。第一个在实验室之外做的量子纠缠实验是在1998年,距离为米级,当时被视为“令人惊叹”;2007年,这个距离增至144公里;而现在他们证明量子纠缠能超过1000公里。

塞思·劳埃德(美国麻省理工学院量子技术专家):这项工作是纠缠分发技术的一个真正突破。通过分发源于卫星的高精度纠缠源的纠缠光子,这些作者在相隔1200公里的两个光子之间建立起纠缠状态,这个距离的量级远高于之前的实验。

问:如何看这个实验的意义?

塞思·劳埃德:这项实验表明远距离量子通信确实在技术上可行,让人们看到了在不久的未来构建远程量子通信的希望。

彭承志:在关闭局域性漏洞和测量选择漏洞的条件下,获得的实验结果以4倍标准偏差违背了贝尔不等式,在千公里距离上验证了量子力学的正确性。

谢尔吉延科:这是验证量子力学有效性的又一个决定性步骤。这个结果对现代量子物理学发展的影响无论怎样评价都不为过。这是第一次演示,将来可能会有许多研究团队使用现代技术解决方案改善运行参数,但这个实验始终将是世界第一个成果。

问:如何评价中国科研人员?

托马斯·延内魏因:国际上确实存在量子科研竞赛。这个中国团队已克服了好几个重大技术与科学挑战,清楚地表明了他们在量子通信领域处于世界领先地位。自2000年以来,我一直从事这个方面的研究工作,因此我可以很好地证明这个中国团队表现出的勇气、奉献和技巧。

谢尔吉延科:这是一个英雄史诗般的实验,因为有许多不利因素可能破坏这个里程碑式实验中光子纠缠的量子性质,这对研究人员很不利。中国研究人员的技巧、坚持和对科学的奉献应该得到最高的赞美与承认。

问:这是“墨子号”的最大成果吗?

彭承志:这是量子卫星上天以来迄今为止的最大成果,除了量子纠缠分发实验外,“墨子号”的其他科学实验任务,包括高速星地量子密钥分发、地星量子隐形传态等,也在紧张进行中,预计今年会有更多的科学成果陆续发布。

问:这个成果将来有什么用?

彭承志:最直接的一个应用,基于所实现的千公里纠缠分发,可以在两地之间直接建立安全密钥,这是目前无需借助可信中继,在千公里的距离建立安全量子密钥的唯一方式;另一个直接的应用是利用纠缠分发来实现量子隐形传态方案,用于量子态的远程制备和操纵,在分布式量子网络中非常有用。

问:下一步目标是什么?

彭承志:下一步我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,解决目前只能在地影区工作的限制,最终能够实现全天时的量子通信网络。

新华时评  

在“第二次量子革命”中奋勇争先

我们身处的时空是连续的吗?爱因斯坦、玻尔等科学巨擘为我们描述的宇宙哪个更加真实?对一些基本原理的检验,非地面实验室条件所能完成。正如数百年前天文望远镜的发明开启了天文学的新时代,“墨子号”实验成果也提供了一种全新探索手段,将为物理学的未来打开一扇门。

从量子卫星到量子计算机,再到这一最新成果,近年来我国科学家接连在量子研究领域取得世界级领先成果,在“第二次量子革命”中站到了前沿。

自上世纪初量子力学理论提出以来,不断获得实验支持,催生了激光、晶体管、全球卫星定位系统等一系列改变世界面貌的重大发明,被称为“第一次量子革命”。新世纪以来,世界主要国家纷纷制定计划、投入巨资,把量子科学作为未来的战略制高点,“第二次量子革命”大幕拉开。

我国量子科研起步较晚,但近年来随着国家大力实施创新驱动战略,重点布局,在多个领域连续取得突破性进展,一些研究已经占据全球先机。

在《“十三五”国家科技创新规划》中,将量子信息作为“引领产业变革的颠覆性技术”重点开发。近日,科技部联合教育部、中科院、国家自然科学基金委员会共同制定并公布了《“十三五”国家基础研究专项规划》,将量子通信与量子计算机作为将组织实施的重大科技专项。

国家战略的支持,让我国在“第二次量子革命”中取得更大技术突破、更多应用成果的前景愈发广阔,中国科学家从跟随者、模仿者转变为未来信息技术引领者的信心更加坚定。

乘势而为,奋勇争先。坚定地拥抱“第二次量子革命”的浪潮,抓住变革的历史性机遇,中国科学家有能力在科研和应用上取得更大突破,中国人有信心为人类文明进步作出重要贡献。 

责任编辑:李楠楠(QN0006)作者:北京日报

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