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量子通信“领跑”世界

发布日期:2019-09-01 10:06:41 | 编辑:it技术发展网| 阅读次数:

  “我国研制的世界首颗量子科学实验卫星,将于今年7月发射;量子保密通信‘京沪干线’,也将在今年下半年全线开通。 ”在刚刚结束的全国“两会”上,全国政协委员、中科院院士、中科大教授潘建伟表示。 3月17日,我国“十三五”规划纲要正式发布,“量子通信与量子计算机”被列入国家科技创新2030重大科技项目,未来5年,我国将着力构建量子通信网络。

  超长距离的“心灵感应”

  在全国“两会”上,量子通信成为社会关注的热点。从美国脸书创始人扎克伯格给未满月的女儿看量子力学的绘本,到今年中国将发射世界首颗量子科学实验卫星,量子通信的正式投入应用,让诞生100多年的量子力学逐步从高深理论深入到日常生活。作为与相对论并列的现代物理学基石,量子论是20世纪最伟大的理论之一,但其神奇之处也让很多人“难以理解”。 “量子世界像骰子一样难以预测,迄今还没有谁敢说了解它,任何科学探险都不如量子之旅惊险和神奇。”中科院自然科学史研究所研究员董光璧曾这样说。

  在好莱坞电影《蚁人》中,主角斯科特为了拯救世界,把自己无限缩小,最后进入的就是“量子世界”。量子是指微观世界里不可分割的基本个体,比如日常生活中的光,就是由大量光量子组成。量子有很多奇妙的特性,比如在量子通信中起着重要作用的“量子纠缠”,曾被爱因斯坦等科学家称作 “幽灵般的超距离作用”。美国科学家、诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔切克曾用 《格林童话》中《两兄弟》故事打比方:“量子纠缠”就像一对有“心灵感应”的双胞胎,长得分不清彼此;他们也心灵相通,即便天各一方,弟弟有难,哥哥即刻得知。

  《西游记》中,孙悟空一个“筋斗云”就能越过十万八千里。利用量子纠缠发展出的量子隐形传态,可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点,就像孙悟空的“筋斗云”一样,可以实现从A地到B地的瞬间传输。去年,中科大潘建伟团队在世界上首次实现多个自由度的量子隐形传态,成果被评为国际物理学十大突破之首。 “如果我们带着一个保险箱去北京开会,而保险箱的钥匙落在合肥,合肥的同事可以通过量子隐形传态将钥匙每一个特征都精确传送到北京,而在此过程中他并不掌握这把钥匙的任何信息。这在经典世界中是不可想象的。 ”潘建伟说。

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  绝对安全的“量子通信”

  电报、电话、手机、宽带……随着信息技术的发展,通信手段日新月异,但均存在泄密的危险。由于信息科学存在“安全瓶颈”,各国科学家一直在寻找一种无条件安全的通信模式,量子通信应运而生。安全保密、超光速、远距离……近年来,量子通信因其传输高效和绝对安全等特点,被认为是下一代通信和计算机技术的支撑性研究。

  “从原理上来说,量子通信是无条件安全的通信方式。 ”潘建伟解释说,由于量子具有不可分割、状态不可克隆的特性,将其作为信息载体就可以实现抵御任何窃听的密钥分发,进而保证传输内容的绝对安全。科学研究表明,量子是不可分的最小能量单位,能量或物质细小到一定限度,就无法被准确测量,因为测量意味着干涉。理论上完美到极致的显微镜,对于一个量子级别的粒子也束手无策,因为一“碰”就毁坏了粒子的待测状态。依据量子力学的这些原理,任何窃听者在信息传输过程中截取或测量,都会改变它们的状态,从而被实时发现。

  “古人在信封上用火漆封口,一旦信件被中途拆开,就会留下泄密的痕迹。 ”潘建伟透露,量子密钥在量子通信中的作用比火漆更彻底,因为一旦有人试图打开“信件”,量子密钥会让“信件”自毁,并让使用者知晓。早在1997年,潘建伟团队就在世界上首次实现量子态的传输,也正是他们的探索,促使量子科技更快地应用于通信领域。在新中国成立60周年阅兵、纪念抗战胜利70周年阅兵等关键节点,潘建伟团队构建的量子通信热线均为信息传送提供了重要安全保障,展示了量子通信在国家安全、金融等信息安全领域的重大应用价值和前景。

  更加响亮的“中国声音”

  今年,对于量子通信而言,将是具有里程碑意义的一年——世界首颗量子科学实验卫星7月发射,量子保密通信“京沪干线”下半年全线开通,将标志着我国 “天地一体化”的量子通信网络初步形成……在全国 “两会”上,潘建伟介绍,这种卫星和地面之间的量子通信,在全球范围内将是首次实现,意味着自上世纪80年代起,历经30多年的量子信息研究,终于走向实用。

  量子通信领域的这两大重要项目,均由中科大潘建伟团队牵头承担。为了2030年建成全球化的量子通信网络,我国于2011年启动建设全球首颗量子科学实验卫星项目,2013年启动建设千公里光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”项目。目前,全球首颗量子科学实验卫星已完成载荷、平台产品研制,正在开展发射星集成测试等工作;量子通信“京沪干线”项目已完成1554公里主干线光缆勘查和改造,将进行二期现场实施建设。 “如果这两件事都做成了,意味着一个天地一体化的量子通信网络雏形就形成了,验证了技术上的可行性。 ”潘建伟说。

  业内人士介绍,量子科学实验卫星上天后,可以实现高速星地量子通信,连接地面的城域量子通信网络,初步构建我国广域量子通信体系;“京沪干线”是连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络,中间还有合肥、济南等重要节点。其中,2012年建成的合肥城域量子通信网,4年来运行良好,通信正确率达99.6%,超过目前的移动通信水平。

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  今年1月,潘建伟团队的“多光子纠缠及干涉度量”项目,夺得国家自然科学奖一等奖。近年来,他们在世界量子通信领域发出响亮的“中国声音”,成果9次入选两院院士评选的“年度十大科技进展新闻”,1次入选《自然》杂志评选的 “年度十大科技亮点”,3次入选英国物理学会评选的“年度物理学重大进展”,3次入选美国物理学会评选的 “年度物理学重大事件”。

  英国《新科学家》杂志在“中国崛起”特刊中评价道:“潘和他的同事使得中国科学技术大学,和整个中国牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地”;《自然》杂志在报道该项目团队量子通信研究成果的新闻特稿“量子太空竞赛”中不吝赞美之词:“这标志着中国在量子通信领域的崛起,将领先于欧洲和北美……”

  目前,阿里巴巴、中兴通讯等诸多企业已介入量子通信领域,并与相关科研单位展开长期战略合作。在潘建伟看来,各方力量合作将会进一步推动量子通信成果的产业化,有助于形成新的经济增长点。 “希望通过10年左右的努力,将来每个人在互联网上转款、支付等消费行为,都能享受到量子通信的安全保障。 ”潘建伟表示。

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