量子通信技術(shù)打破了哪些記錄？

量子科技，被譽(yù)為21世紀(jì)前沿科技之一，近來(lái)一直是我國(guó)人民關(guān)注的重大科技問(wèn)題之一，而我國(guó)在量子科技方面也都有著不俗的表現(xiàn)，在量子計(jì)算、量子通信、量子精密測(cè)量，中國(guó)全部位列第一梯隊(duì)。在這方面：清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校都有各自出色的表現(xiàn)。

清華大學(xué)在量子通信方面再獲新突破

近日，我國(guó)在量子通信領(lǐng)域又獲得新的突破——清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)(龍桂魯與陸建華教授團(tuán)隊(duì))首次實(shí)現(xiàn)通信距離達(dá)到100公里的量子直接通信新系統(tǒng)，這是目前世界上最長(zhǎng)的量子直接通信距離，該發(fā)現(xiàn)將有助于實(shí)現(xiàn)無(wú)中繼條件下城際量子直接通信。

清華團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新系統(tǒng)采用相位量子態(tài)和時(shí)間戳量子態(tài)的混合編碼。時(shí)間戳量子態(tài)可用于抽樣檢測(cè)，大大降低噪聲影響，通信依然采用具有自補(bǔ)償性能的相位量子態(tài)。因此，新系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性和極低的本征誤碼率(即沒(méi)有竊聽時(shí)的誤碼率)，結(jié)合具有更強(qiáng)糾錯(cuò)能力的極低碼率LDBCH編碼，有效提高了安全通信容量、距離和速率。

新系統(tǒng)在50MHz(赫茲)激光脈沖頻率下將最大可容忍損耗從5.1dB(分貝)提升到18.4dB，在商用低損耗單模光纖中的最遠(yuǎn)通信距離達(dá)到100公里，突破了之前18公里的最長(zhǎng)距離。其通信速率也得到了提升，在30公里光纖距離下通信速率達(dá)到22.4kbps。

該成果如果得到推廣應(yīng)用，則可以在無(wú)中繼條件下實(shí)現(xiàn)城市之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子直接通信，同時(shí)可以支撐基于安全經(jīng)典中繼建立的廣域量子網(wǎng)絡(luò)的一些應(yīng)用。

歷史回顧：清華大學(xué)物理系龍桂魯教授于2000年提出量子直接通信的首個(gè)協(xié)議。量子直接通信以量子態(tài)作載體來(lái)編碼和傳輸信息，是量子保密通信的新范式。量子直接通信將噪聲信道下的可靠通信發(fā)展為噪聲和竊聽信道下的可靠和安全通信。

2016年，清華大學(xué)和山西大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)完成了量子直接通信的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)演示。三年后，龍桂魯教授團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)電子系陸建華教授團(tuán)隊(duì)合作，成功研制了國(guó)際上第一個(gè)量子直接通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了1.5公里光纖距離下50bps(比特秒)的安全通信速率。他們還曾在中關(guān)村論壇(中國(guó)面向全球科技創(chuàng)新交流合作的國(guó)家級(jí)平臺(tái))發(fā)布世界首款實(shí)用化量子直接通信樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了10公里光纖中4kbps(千比特每秒)的傳輸速率，并將通信距離進(jìn)一步提升到18公里。

清華大學(xué)

清華大學(xué)：簡(jiǎn)稱“清華”，位于北京市，是教育部直屬的全國(guó)重點(diǎn)大學(xué)，是我國(guó)“雙一流”、“985工程”、“211工程”重點(diǎn)建設(shè)高校之一。

學(xué)校入選了“2011計(jì)劃”、“珠峰計(jì)劃”、“強(qiáng)基計(jì)劃”、“111計(jì)劃”，中國(guó)大學(xué)校長(zhǎng)聯(lián)誼會(huì)、亞洲大學(xué)聯(lián)盟、環(huán)太平洋大學(xué)聯(lián)盟、中俄綜合性大學(xué)連門以及清華—?jiǎng)颉狹IT低碳大學(xué)聯(lián)盟成員等等，被譽(yù)為“紅色工程師的搖籃”。

學(xué)校校史：清華大學(xué)前身清華學(xué)堂始建于1911年，校名“清華”源于校址“清華園”地名，是晚清政府設(shè)立的留美預(yù)備學(xué)校，其建校的資金源于1908年美國(guó)退還的部分庚子賠款。1912年更名為清華學(xué)校。1928年更名為國(guó)立清華大學(xué)。1937年抗日戰(zhàn)爭(zhēng)全面爆發(fā)后，南遷長(zhǎng)沙，與國(guó)立北京大學(xué)、私立南開大學(xué)組建國(guó)立長(zhǎng)沙臨時(shí)大學(xué)，1938年遷至昆明改名為國(guó)立西南聯(lián)合大學(xué)。1946年遷回清華園。1949年中華人民共和國(guó)成立，清華大學(xué)進(jìn)入新的發(fā)展階段。中國(guó)高等院校1952年院系調(diào)整后成為多科性工業(yè)大學(xué)。1978年以來(lái)逐步恢復(fù)和發(fā)展為綜合性的研究型大學(xué)。

師資力量：學(xué)校有教職工16021人，專任教師3729人，全職院士88位，包含了中國(guó)科學(xué)院院士53位以及全職中國(guó)工程院院士35人。

學(xué)科建設(shè)：學(xué)校設(shè)有21個(gè)學(xué)院、59個(gè)教學(xué)系，開設(shè)有82個(gè)本科專業(yè);有博士后科研流動(dòng)站50個(gè)，一級(jí)學(xué)科國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科22個(gè)，一級(jí)學(xué)科博士、碩士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)60個(gè)。

師資力量及其他：在清華大學(xué)的師資力量中，共有兩院院士總數(shù)達(dá)到94位;在已公布的科研平臺(tái)和科研成果方面，清華大學(xué)也是穩(wěn)居全國(guó)高校第一;在兩彈一星勛章獲得者的23人中，清華校友就占據(jù)了7位。

近日，一則關(guān)于量子科技的新聞引起了社會(huì)關(guān)注。繼2017年起先后完成10比特、12比特、18比特的真糾纏態(tài)制備之后，在量子科技領(lǐng)域一直走在世界前沿的中國(guó)科學(xué)家最近又刷新一項(xiàng)世界紀(jì)錄——成功實(shí)現(xiàn)51個(gè)超導(dǎo)量子比特簇態(tài)制備和驗(yàn)證，刷新所有量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的世界紀(jì)錄，并首次演示了基于測(cè)量的變分量子算法。

從“墨子號(hào)”飛向太空到量子計(jì)算機(jī)研制成功，時(shí)至今日，中國(guó)的量子科技已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從跟跑、并跑到部分領(lǐng)跑的歷史飛躍，量子通信研究穩(wěn)居國(guó)際引領(lǐng)地位，量子計(jì)算研究牢固確立國(guó)際第一方陣地位，量子精密測(cè)量研究多個(gè)方向進(jìn)入國(guó)際領(lǐng)先行列。這也意味著，在“天地一體化”、大數(shù)據(jù)等“深藍(lán)”技術(shù)領(lǐng)域，中國(guó)的發(fā)展正在加速。

這一切，離不開中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)(中國(guó)科大)中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉院士的研究團(tuán)隊(duì)。

潘建偉院士主要從事量子光學(xué)、量子信息和量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題檢驗(yàn)等方面的研究。作為國(guó)際上量子信息實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域的開拓者之一，他是該領(lǐng)域有重要國(guó)際影響力的科學(xué)家。利用量子光學(xué)手段，他在量子調(diào)控領(lǐng)域取得了一系列有重要意義的研究成果，尤其是他關(guān)于量子通信和多光子糾纏操縱的系統(tǒng)性創(chuàng)新工作使得量子信息實(shí)驗(yàn)研究成為近年來(lái)物理學(xué)發(fā)展最迅速的方向之一。

量子飛躍，未來(lái)可期，用量子研究助力中華民族的偉大復(fù)興，是潘建偉院士團(tuán)隊(duì)的夢(mèng)想。正是對(duì)這個(gè)夢(mèng)想的不懈追逐，讓潘建偉和他的團(tuán)隊(duì)成為世界量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。

量子之夢(mèng)源于報(bào)國(guó)

2018年12月18日，在慶祝改革開放40周年大會(huì)上，潘建偉被授予“改革先鋒”稱號(hào)。在與大學(xué)生交流時(shí)，潘建偉談起了自己的少年時(shí)代。

1987年，17歲的潘建偉考入中國(guó)科大近代物理系。在這里，潘建偉了解到許多科技前輩的感人故事。潘建偉對(duì)大學(xué)生們說(shuō)：“很多外國(guó)人不明白，中國(guó)當(dāng)時(shí)條件那么差，為什么能夠完成‘兩彈一星’的壯舉?正是由于大批具有家國(guó)情懷的科學(xué)家，為了國(guó)家的科技事業(yè)奉獻(xiàn)了自己的一切?！?

在中國(guó)科大，潘建偉被量子理論的神秘深深吸引。隨著研究的深入，潘建偉感覺(jué)到，量子力學(xué)中的各種奇妙的現(xiàn)象，需要更尖端的實(shí)驗(yàn)技術(shù)才能得以驗(yàn)證。因此，年輕的潘建偉決定出國(guó)深造，進(jìn)入奧地利因斯布魯克大學(xué)攻讀博士學(xué)位。這次留學(xué)，潘建偉不僅為了自己的夢(mèng)想，更是為了心中那個(gè)更大的中國(guó)夢(mèng)。

2001年，潘建偉回到中國(guó)科大，在主管部門的經(jīng)費(fèi)支持下，開始籌建實(shí)驗(yàn)室，組建研究團(tuán)隊(duì)。2004年，潘建偉研究組在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)五光子糾纏和終端開放的量子隱形傳態(tài)?！蹲匀弧冯s志發(fā)表了這一成果，并稱贊他們“完成了一次壯舉”。該成果同時(shí)入選英國(guó)物理學(xué)會(huì)和美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選出的年度國(guó)際物理學(xué)重大進(jìn)展，這是中國(guó)科學(xué)家的“第一次”。

潘建偉說(shuō)，讓他感到驕傲的是，這表明國(guó)內(nèi)研究組在光量子信息方面的工作已經(jīng)躍居國(guó)際領(lǐng)先水平。

2003年，潘建偉提出衛(wèi)星量子通信這一在國(guó)際上沒(méi)有先例的設(shè)想。中國(guó)科學(xué)院支持潘建偉團(tuán)隊(duì)先期開展地面驗(yàn)證試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)數(shù)年的努力，當(dāng)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的積累已比較充分時(shí)，中國(guó)科學(xué)院又迅速?zèng)Q策，于2011年在國(guó)際上率先啟動(dòng)了量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)。

為了推進(jìn)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的研制，中國(guó)科學(xué)院統(tǒng)籌協(xié)調(diào)了上海技術(shù)物理研究所、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國(guó)家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)、國(guó)家空間科學(xué)中心等院內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢(shì)研究力量，與中國(guó)科大一起協(xié)同攻關(guān)。潘建偉認(rèn)為，中國(guó)目前科研環(huán)境最大的優(yōu)勢(shì)就是可以集中力量辦大事。正是由于中國(guó)科學(xué)院的果斷決策和快速部署，使得中國(guó)在量子太空競(jìng)賽中占據(jù)先機(jī)。

量子通信走在前列

2016年8月，由潘建偉團(tuán)隊(duì)研制的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。這是由中國(guó)完全自主研制、世界上第一顆空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，為中國(guó)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

據(jù)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總師王建宇介紹，“墨子號(hào)”在軌測(cè)試階段全面完成了衛(wèi)星平臺(tái)測(cè)試、有效載荷自測(cè)試和天地一體化鏈路測(cè)試，成功構(gòu)建了星地單向、星地雙向、地星單向量子信道，可以滿足空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求?！澳犹?hào)”在世界上首次建立了天地一體化量子通信實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，具備了開展空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的條件。

“墨子號(hào)”的主要應(yīng)用目標(biāo)是通過(guò)衛(wèi)星和地面站之間的量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)星地量子保密通信，并通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可覆蓋全球的量子保密通信。它可以在外太空以10kbps(千字節(jié)/秒)的速率給地面站分發(fā)量子密鑰，比地面同距離光纖量子通信水平提高了20個(gè)數(shù)量級(jí)以上。這項(xiàng)技術(shù)突破使得中國(guó)在國(guó)際上率先具備了星地量子通信能力。

“墨子號(hào)”的另一前沿研究目標(biāo)是在量子物理基本問(wèn)題檢驗(yàn)領(lǐng)域：即通過(guò)千公里量級(jí)的量子糾纏分發(fā)，首次在空間尺度檢驗(yàn)量子力學(xué)的非定域性，并利用量子糾纏在地面和衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)。此舉將使得人類首次具有在空間尺度開展量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力，并為未來(lái)在外太空開展廣義相對(duì)論、量子引力等物理學(xué)基本原理的檢驗(yàn)做好了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)準(zhǔn)備。

“墨子號(hào)”是中國(guó)在過(guò)去20年間大力發(fā)展量子信息技術(shù)的一個(gè)縮影。“因?yàn)橹袊?guó)在這個(gè)領(lǐng)域起步較早，也得到國(guó)家重視，所以一直保持一定優(yōu)勢(shì)?！迸私▊ソ榻B，針對(duì)廣域量子通信的發(fā)展，國(guó)際上有3種技術(shù)路線：通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò);通過(guò)中繼器實(shí)現(xiàn)城際量子通信;通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信。

中國(guó)在實(shí)用化城域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)方面已經(jīng)取得了較多進(jìn)展。如2007年，實(shí)現(xiàn)了光纖量子通信的安全距離首次突破100公里;2008年，建成首個(gè)全通型城域量子通信網(wǎng)絡(luò);2012年，建成46個(gè)節(jié)點(diǎn)的規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，并將“基于量子通信的高安全通信保障系統(tǒng)”投入永久運(yùn)行。

在基于可信中繼的城際量子通信網(wǎng)絡(luò)方面，中國(guó)已建立光纖總長(zhǎng)超2000公里的京滬干線，覆蓋四省三市共32個(gè)節(jié)點(diǎn)，是世界上最遠(yuǎn)距離的基于可信中繼方案的量子安全密鑰分發(fā)干線，于2017年8月底完成驗(yàn)收。目前，量子京滬干線已接入包括金融、電力、政務(wù)等上百多家行業(yè)用戶，并通過(guò)多種安全性測(cè)試。

而第三種發(fā)展路線——在全球范圍內(nèi)覆蓋各類海島、遠(yuǎn)洋船舶、駐外機(jī)構(gòu)等光纖難以或者無(wú)法到達(dá)的地方，“墨子號(hào)”的發(fā)射填補(bǔ)了這一空白。

潘建偉說(shuō)，目前“墨子號(hào)”已順利完成了三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。“墨子號(hào)”實(shí)現(xiàn)了北京和烏魯木齊之間遙遠(yuǎn)地點(diǎn)的量子分發(fā)，后又完成了雙向量子糾纏分發(fā)和遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，完成了“墨子號(hào)”和京滬干線的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了洲際量子保密通信;并對(duì)量子力學(xué)與引力的融合進(jìn)行探索。