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龙族幻想怎么下:“墨子號”提前實現科學目標 量子技術突破天空限制

[日期:2017-08-14] 來源:中國青年報  作者: [字體: ]

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       還有6天,距離全球第一顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空就要滿一整年了。8月10日,這顆衛星的首席科學家、中國科學技術大學潘建偉院士領導的中科院聯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了“千公里級”的星地雙向量子通信。

 

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

      一個多月前,潘建偉團隊在國際上率先實現“千公里級”的星地雙向量子糾纏分發,并將成果發表在6月16日的《科學》雜志上,完成了“墨子號”一項科學任務即“星地雙向量子糾纏分發”;如今則將另外兩項任務一并完成:高速星地量子密鑰分發和地星量子隱形傳態,相關成果已在線發表在8月10日的《自然》雜志上。

      至此,屬于中國的“墨子號”量子衛星,已提前完成預先設定的三大科學目標。在8月4日的媒體見面會上,中國科學院院長白春禮對中國青年報·中青在線等媒體表示,“(‘墨子號’量子衛星)系列成果贏得了巨大國際聲譽,標志著我國量子通信領域的研究在國際上達到‘全面領先’的優勢地位。”

關乎“無條件安全通信方式”的實驗:投稿最早,發表最晚

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

       1999年,傳統加密算法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年就已經被破解。2017年2月,谷歌(微博)破解了廣泛應用于文件數字證書中的SHA-1算法。以至于有人說,“人們懷疑,以人類的才智無法構造人類自身不可破解的密碼”。

      然而,量子力學100多年的發展,卻給人類帶來另一種可能。

      潘建偉說,與經典通信不同,量子密鑰分發通過量子態的傳輸,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容,就是量子密鑰分發。

      按照潘建偉的說法,這個名為“量子密鑰分發”的實驗,關乎量子保密通信網絡的“可行性”,關乎所謂“絕對通信安全”的未來,因此其結果包括其過程中的一些數據,都備受科學家關注。

     在接受中國青年報·中青在線等媒體采訪時,潘建偉透露,“量子密鑰分發”這個成果的投稿時間,要比“星地雙向量子糾纏分發”這個成果早兩周左右,但最終發表的時間,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注了,《自然》雜志不斷要求我們提供相關實驗細節和數據,來讓其他同行將來能夠重復、驗證我們的實驗結果,我們只好不斷地往外‘掏’實驗數據。”潘建偉說。

星地量子密鑰分發實驗,2017年5月拍攝于烏魯木齊南山。多張照片合成了衛星過境的全貌,背景是恒星的星軌。中科院供圖

千公里級密鑰分發:通信速率比傳統技術提升萬億億倍

不過,文章最終通過了《自然》雜志審稿人的“把關”,并得以發表。

《自然》雜志的審稿人稱贊星地量子密鑰分發成果是 “令人欽佩的成就(impressive achievement)”和“本領域的一個里程碑(it constitutes a milestone in the fiELD)”,并稱“毫無疑問將引來量子信息、空間科學等領域的科學家和普通大眾的高度興趣,并導致公眾媒體極為廣泛的報道”。

所謂密鑰分發實驗,要以量子力學一些“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“存在竊聽必然被發現”,而量子的“一次一密,完全隨機”,又讓“加密內容不可破譯”成為現實。

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。”

如今,這種量子密鑰分發的設想,在更遠的距離即千公里級完成了實驗。

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

根據“墨子號”實驗結果,在1200公里通信距離上,衛星上量子誘騙態光源平均每秒發送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。

這些數據背后有一個對比結果,即“星地量子密鑰”的傳輸效率,比傳統的技術——也就是同等距離地面光纖信道,要高出20個數量級,即提升萬億億倍。

潘建偉說,這就為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了可靠的技術基礎。未來,他希望以星地量子密鑰分發為基礎,將衛星作為可信中繼,可以實現地球上任意兩點的密鑰共享,將量子密鑰分發范圍擴展到覆蓋全球。

正如量子衛星科學應用系統總師、中國科學技術大學教授彭承志所說,下一步他們要在提升衛星的覆蓋范圍上攻關,通過高軌衛星或者“量子星座”網絡的方式,最終能夠實現全天時的量子通信網絡。

地星量子隱形傳態實驗,2017年4月拍攝于西藏阿里。中科院供圖

“領跑者”來了:中國開啟全球化量子通信大門

在媒體見面會上,白春禮說,宣布量子衛星全部既定科學目標均已提前完成,就意味著“為(量子科學衛星)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新制高點,成為國際同行的標桿,實現了成為“領跑者”的轉變。

潘建偉也提到,在完成既定科學任務后,“墨子號”也制訂了后續拓展實驗計劃,包括基于糾纏的量子密鑰、全天時量子通信等,已經在緊張、順利地進行。預計在衛星設計壽命期內,還將有更多的科學成果陸續發布。

《自然》雜志8月10日發表的另一篇潘建偉團隊文章,則是關于量子隱形傳態,它利用量子糾纏,可以將物質的未知量子態,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的光子,來實現這一點。

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

按照潘建偉的說法,假設在同樣長度的光纖中重復這一工作,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,“這些結果代表了遠距離量子通信持續探索中的重大突破”, “這個目標非常新穎并極具挑戰性,它代表了量子通信方案現實實現中的重大進步”。

向“重技術輕科學”開刀:更多科學衛星成果將陸續發布

值得一提的是,除了“墨子號”量子衛星外,中科院在“十二五”啟動實施的空間科學戰略性先導專項中其他三顆衛星均已成功發射。按照白春禮的說法,“悟空號”暗物質粒子探測衛星、實踐十號返回式科學實驗衛星、“慧眼號”硬X射線調制望遠鏡衛星也都已經獲得大量科學數據,相關科學成果將陸續發布。

多年來,作為一個航天大國,我們在空間技術以及空間應用方面做出了讓世人矚目的成績,但在中國科學院國家空間科學中心主任、空間科學先導專項科學衛星工程常務副總指揮吳季看來,從航天大國轉變成一個航天強國的時候,空間科學領域是我們的一個短板,“如果要彌補這一短板,必須轉變重技術、輕科學的做法”。

據吳季透露,面向“十三五”“十四五”,中科院方面已經部署了多個科學衛星計劃,這些計劃聚焦當前國際重大基礎科學前沿,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、太陽爆發機理、地球空間暴及其粒子逃逸、水循環和全球變化的關系等。

這其中,中科院與歐洲航天局聯合支持的太陽風-磁層相互作用全景成像衛星(SMILE)已經立項實施,愛因斯坦探針衛星(EP)、先進天基太陽天文臺衛星(ASO-S)已經啟動立項綜合論證。吳季說,希望通過這些項目的實施,力爭使我國在基礎科學研究領域實現更多的重大突破。

在6月16日,中國率先實現“千公里級”星地雙向量子糾纏分發時,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星都是蘇聯做出來的,但登月,美國卻是第一個。他們覺得只要努力,就可以在量子領域趕超中國。潘建偉說,“所以,我們不敢懈怠”。

如今,在“墨子號”量子衛星預定科學任務全部完成之時,白春禮又說了同樣意思的一番話:“創新永無止境,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域保持著領跑優勢,但競爭日趨激烈。美國已經發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。

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