量子通讯: 架起六合一体万里通讯网

时间 :2021-06-29 作者 : 来源: 浏览 : 分类 :新闻资讯
“墨子号”量子科学实验卫星 中国科学技术大学供图  全球首个星地量子通信网络,覆盖我国四省三市32个节点,包括北京、济南、合肥和上海4个量子城域网,通过两个卫星地面站与“墨子号”量子科学实验卫星相连,总距离为4600公里,目前已接入金融、电力、政

  “墨子号”量子科学尝试卫星 中国科学手艺年夜学供图

  全球首个星地量子通讯收集,笼盖我国四省三市32个节点,包罗北京、济南、合肥和上海4个量子城域网,经由过程两个卫星地面站与“墨子号”量子科学尝试卫星相连,总间隔为4600千米,今朝已接进金融、电力、政务等行业的150多家用户。

  翱翔在太空的“墨子号”量子科学尝试卫星,现在有了属于本身的“正式名称”。2020年9月11日,国度重年夜文化工程《辞海》(第七版)正式对外发布,本次新增内容中添加了“量子通讯”“量子科学尝试卫星”等词条。

  2016年8月16日1时40分,我国在酒泉卫星发射中间用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学尝试卫星“墨子号”发射升空。为了这一天,中国的量子物理学家们,已筹办了10多年。

  把量籽实验室“搬”上太空

  “墨子号”量子科学尝试卫星的降生,源于我国“构建全球规模量子通讯网”的科学愿景。

  “把量籽实验室‘搬’上太空的假想,10多年前就已被提出。”中国科学手艺年夜学传授、中国科学院院士潘建伟说。

  早在2003年,潘建伟团队就起头摸索在自由空间实现更远间隔的量子通讯,提出了操纵卫星实现远间隔量子纠缠分发的方案。在自由空间,情况对光量子态的干扰效应极小,而光量子在穿透年夜气层进进外层空间后,其消耗更是接近于零,这使得自由空间信道比光纤信道在远间隔传输方面更具上风。

  2005年,潘建伟团队起首在合肥实现间隔达13千米的自由空间量子纠缠分发和量子通讯,13千米约即是地球概况的年夜气厚度,此次尝试在国际上初次证实纠缠光量子在穿透等效于全部年夜气层厚度的地面年夜气后,纠缠依然可以或许连结,其可被利用于高效、平安的量子通讯,该尝试为后续的自由空间量子通讯尝试奠基根本。

  此前,一向走在全球量子通讯范畴前列的,是奥地利物理学家安东·蔡林格的团队。安东·蔡林格团队1997年在室内初次完成了量子态隐形传输的道理性尝试验证,他们在2004年又操纵多瑙河底的光纤信道将量子态隐形传输间隔进步至600米。潘建伟到奥地利攻读博士学位时代,曾在安东·蔡林格团队担负研究主干。

  2001年,潘建伟学成回国,在中国科学手艺年夜学成立起中国的量子物理尝试室。在那以后,这对师徒既是合作火伴又是竞争敌手,正式起头了攀缘量子通讯手艺岑岭的比赛。

  比拟于安东·蔡林格团队,潘建伟团队的进度更快,并慢慢实现了从并跑到小幅度领先的超出。

  2010年,潘建伟团队成功实现那时世界上最远间隔的16千米量子隐形传态,初次证实量子隐形传态穿越年夜气层的可行性,为将来基于卫星中继的全球化量子通讯网奠基了靠得住根本。为了此次尝试,潘建伟团队从2007年起头在北京八达岭与河北怀来之间架设了一条长达16千米的自由空间量子信道。

  随后,潘建伟团队在青海湖地域新建尝试基地,展开验证星地自由空间量子通讯可行性的地基尝试研究,从多个方面进行攻关,旨在冲破基于卫星平台自由空间量子通讯的关头手艺瓶颈,并在2012年实现全球首个上百千米的自由空间量子隐形传态和量子纠缠分发,对星地量子通讯可行性进行了全方位地面验证。

  在这场量子学革命的科学比赛中,多个“世界初次”“世界首个”均来自于由潘建伟领衔的“中国队”:在国际上初次实现平安通讯间隔跨越100千米的光纤量子密钥分发、实现国际上首个全通型量子通讯收集、建成世界首个范围化量子通讯收集……“这标记着中国在量子通讯范畴的突起,从10年前不起眼的国度慢慢成长为此刻的世界劲旅,将领先欧洲和北美。”国际权势巨子期刊《天然》杂志曾如斯感慨。

  中国团队的这些研究工作,证实了实现基于卫星的全球量子通讯收集和展开空间标准量子力学根本查验的可行性。

  挑战世界最高难度

  2010年3月31日,我国国务院第105次常务会议审议经由过程了中国科学院“立异2020”计划,要求中国科学院“组织实行计谋性先导科技专项,构成重年夜立异冲破和集群上风”。

  2011年1月25日,中国科学院实行启动首批“4+1”个计谋性先导科技专项,此中就包罗空间科学先导专项。空间科学先导专项第一批肯定研发包罗“墨子号”在内的四颗科学尝试卫星。别的三颗别离为暗物资探测卫星“悟空”、我国首颗微重力科学尝试卫星“实践十号”和硬X射线调制千里镜卫星“慧眼”。

  “工程师的使命是手艺实现,要把科学家的胡想酿成实际。”量子卫星工程常务副总师兼卫星总批示王建宇说,2011年量子科学尝试卫星“墨子号”项目正式立项后,更高难度的挑战起头了。

  量子科学尝试卫星是我国自立研发的星地量子通讯装备,冲破了一系列高精尖手艺,包罗“针尖对麦芒”的星地光路瞄准,偏振态连结与星地基矢校订,量子光源载荷等关头手艺。

  王建宇从2007年就起头介入量子卫星的研究工作。他是中国科学院上海分院的副院长、原中国科学院上海手艺物理研究所所长,作为光学远感系统专家,他的团队与潘建伟团队合作,在广宽斑斓的青海湖畔实现了百千米级自由空间量子通讯。

  在2007年至2010年的关头手艺攻关阶段,研究团队将量子密钥发生的处所放在位于青海湖湖心岛的海心山上,从中心向双方分发。

  那时,晚上团队成员们就睡在帐篷里,同时还不克不及睡死,他们要打死一批批有可能干扰装备的蛾子。此中有位女研究生,从看见蛾子就惧怕,到后来酿成一边做尝试一边面不改色地把蛾子一只只拍死的“杀手”。

  “之前做卫星,几多能找到参考资料,但这个量子卫星的工作,属国际初次,完全没有参考。”王建宇以为,最坚苦的环节就是实现六合一体化联通。

  按潘建伟等科学家的尝试设计要求,“墨子号”不但是天上的那颗卫星,它还包罗地面系统:1个中间——合肥量子科学尝试中间,4个站——南山、德令哈、兴盛、丽江量子通讯地面站,1个平台——阿里量子隐形传态尝试平台。卫星和地面站之间,要做到最高精度的对准和最活络的探测。

  光量子很是小,它是光的最小单元,必需要用极其活络的探测器才能探测到;它的数目又很是多,“墨子号”卫星每秒能分发1亿光量子;另外,它还姿态万千,能构成分歧的量子编码……

  王建宇打了个例如:若是把光量子当作一个1元硬币,星地尝试就相当于要在万米高空飞翔的飞机上,不竭把上亿个硬币一个个投到地面上一个不竭扭转的储钱罐里(偏振丈量的基矢在转变),这不单要求硬币击中储钱罐(对准精度),并且要求硬币精确射进罐子上颀长的投币口(偏振连结)。

  为了让穿越年夜气层后光量子的“针尖”仍能对上领受站的“麦芒”,王建宇团队与潘建伟团队一道,从2012年起起头进行了各类尝试:收发间隔40千米的转台尝试,要与卫星绕地运行的角速度一致;30千米间隔的车载高速活动尝试,要考验超远间隔“移动瞄靶”能力;热气球浮空平台尝试,在空位情况下摹拟量子密钥分发……

  这么坚苦的“针尖”对“麦芒”,其关头手艺终究被逐一攻破,在十几个研究所的几百位科研职员的倾情投进下,卫星的初样完成了。

  构建首个星地量子通讯网

  32年前,人类汗青上初次量子通讯在尝试室实现了,传输间隔32厘米。而今,中国人将这个间隔扩大了1400多万倍,实现了从地面到太空的多用户通讯。

  2021年1月7日,国际顶级学术期刊《天然》杂志上颁发了题为《逾越4600千米的六合一体化量子通讯收集》的论文。中国科学手艺年夜学颁布发表,中国科研团队成功实现了逾越4600千米的星地量子密钥分发,标记着我国已构建出六合一体化广域量子通讯网雏形。

  20年磨一剑,中国在量子通讯域实现了从跟跑到领跑:量子保密通讯京沪干线总长跨越2000千米,是今朝世界上最远间隔的基于可托中继方案的量子平安密钥分发干线,该线路已于2017年9月底正式开通。“墨子号”量子科学尝试卫星于2016年8月在酒泉卫星发射中间成功发射,美满完成了预定的全数科学方针。

  “墨子号”牵手“京沪干线”,中国科学手艺年夜学科研职员潘建伟、陈宇翱、彭承志等与中国科学院上海手艺物理研究所王建宇研究组、济南量子手艺研究院及中国有线电视收集有限公司合作,构建了全球首个星地量子通讯网。颠末为期两年多的不变性、平安性测试,该通讯网实现了逾越4600千米的多用户量子密钥分发。

  “要实现广域量子通讯,就要解决光量子消耗、退相关等一系列手艺困难,好比光量子数在光纤里每传输约15千米就会损掉一半,200千米后只剩万分之一。”潘建伟说,科研团队在光学系统等方面成长了多项进步前辈手艺,化解了这些困难。

  全球首个星地量子通讯收集,笼盖我国四省三市32个节点,包罗北京、济南、合肥和上海4个量子城域网,经由过程两个卫星地面站与“墨子号”量子科学尝试卫星相连,总间隔为4600千米,今朝已接进金融、电力、政务等行业的150多家用户。

  今朝,广域量子通讯收集的雏形已根基构成,将来在此根本上,可进一步鞭策量子通讯在金融、政务、国防、电子信息等范畴的普遍利用。

  《天然》杂志审稿人对此评价道,这是地球上最年夜、最早进的量子密钥分发收集,是量子通讯“庞大的工程性成绩”。星地量子通讯网的建成,为将来实现笼盖全球的“量子网”奠基科技根本,也为相对论、引力波等科学研究,供给了史无前例的“六合尝试室”。

  吴长锋

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