中國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)國際首個(gè)量子衛(wèi)星“千公里級(jí)”雙向通信

距離全球第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空，還有6天就要滿一整年了，8月10日，這顆衛(wèi)星的首席科學(xué)家、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)向外界又拋出了一項(xiàng)重大成果——“墨子號(hào)”在國際上第一次成功實(shí)現(xiàn)了“千公里級(jí)”的星地雙向量子通信。

《自然》(Nature)雜志的物理科學(xué)主編卡爾?齊姆勒斯感慨“這是十分令人激動(dòng)的消息(very exciTIng stuff)”，并給出評(píng)價(jià)：“以前人們會(huì)說量子技術(shù)的極限在天邊，但這說法其實(shí)有些保守了”，潘建偉團(tuán)隊(duì)這些實(shí)驗(yàn)中，量子技術(shù)就已經(jīng)突破“天空的限制(gone beyond the sky)”，并將應(yīng)用型量子通信技術(shù)方面的研究提升到如此的“天文高度(astronomical height)”。

一個(gè)多月前，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國際上率先實(shí)現(xiàn)“千公里級(jí)”的星地雙向量子糾纏分發(fā)，并將成果發(fā)表在6月16日《科學(xué)》雜志上，這完成了“墨子號(hào)”一項(xiàng)科學(xué)任務(wù)即“星地雙向量子糾纏分發(fā)”;如今則將另外兩項(xiàng)任務(wù)一并完成：高速星地量子密鑰分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)，相關(guān)成果已在線發(fā)表在8月10日的《自然》雜志上。

至此，屬于中國的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星，已提前完成預(yù)先設(shè)定的三大科學(xué)目標(biāo)。在8月4日的媒體見面會(huì)上，中國科學(xué)院院長白春禮院士對(duì)包括中國青年報(bào)?中青在線等媒體表示，“(‘墨子號(hào)’量子衛(wèi)星)系列成果贏得了巨大國際聲譽(yù)，標(biāo)志著我國在量子通信領(lǐng)域的研究在國際上達(dá)到‘全面領(lǐng)先’的優(yōu)勢(shì)地位。”

與經(jīng)典通信不同，量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶，可共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對(duì)信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)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(gè)重要的研究內(nèi)容，就是量子密鑰分發(fā)。

所謂密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，要以量子力學(xué)一些“原理”的成立為提前。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(fā)現(xiàn)”，而量子的“一次一密，完全隨機(jī)”，又讓“加密內(nèi)容不可破譯”成為現(xiàn)實(shí)。

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(guān)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(xué)的原理保證了你一定會(huì)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(fā)的設(shè)想，在更遠(yuǎn)的距離即千公里級(jí)完成了實(shí)驗(yàn)。

具體來看，量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號(hào)，地面接收的方式，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星過境時(shí)，與河北興隆地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。

根據(jù)“墨子號(hào)”實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在1200公里通信距離上，衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬個(gè)信號(hào)光子，一次過軌對(duì)接實(shí)驗(yàn)可生成300kbit的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)1.1kbps。

這些數(shù)據(jù)背后有一個(gè)對(duì)比結(jié)果，即“星地量子密鑰”的傳輸效率，比傳統(tǒng)的技術(shù)——也就是同等距離地面光纖信道，要高出20個(gè)數(shù)量級(jí)，即提升萬億億倍。

《自然》雜志的審稿人稱贊星地量子密鑰分發(fā)成果是 “令人欽佩的成就(impressive achievement)”和“本領(lǐng)域的一個(gè)里程碑(it consTItutes a milestone in the field)”，并稱“毫無疑問將引起量子信息、空間科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家和普通大眾的高度興趣，并導(dǎo)致公眾媒體極為廣泛的報(bào)道”。

《自然》雜志8月10日發(fā)表的另一篇潘建偉團(tuán)隊(duì)文章，則是關(guān)于量子隱形傳態(tài)，它利用量子糾纏，可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)，精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而物體本身卻不需要移動(dòng)。

在卡爾?齊姆勒斯看來，這是量子力學(xué)中“最著名卻神秘莫測(cè)”的方面。他說，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，潘建偉團(tuán)隊(duì)展示了如何用處于糾纏態(tài)的光子，來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

具體來看，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星過境時(shí)，與海拔5100m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產(chǎn)生8000個(gè)“量子隱形傳態(tài)事例”，地面向衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，實(shí)驗(yàn)通信距離從500公里到1400公里，所有6個(gè)待傳送態(tài)，均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。

按照潘建偉的說法，假設(shè)在同樣長度的光纖中重復(fù)這一工作，需要3800億年——也就是宇宙年齡的20倍，才能觀測(cè)到1個(gè)事例。

《自然》雜志審稿人稱，“這些結(jié)果代表了遠(yuǎn)距離量子通信持續(xù)探索中的重大突破”，“這個(gè)目標(biāo)非常新穎并極具挑戰(zhàn)性，它代表了量子通信方案現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)中的重大進(jìn)步”。

在6月16日，中國率先實(shí)現(xiàn)“千公里級(jí)”星地雙向量子糾纏分發(fā)時(shí)，潘建偉就提到的，沒做成(這項(xiàng)實(shí)驗(yàn))時(shí)，外界有很多懷疑，如今花費(fèi)這么多時(shí)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(gè)人造衛(wèi)星都是蘇聯(lián)做出來的，但登月，美國卻是第一個(gè)。他們覺得只要努力，就可以在量子領(lǐng)域趕超中國。潘建偉說，“所以，我們不敢懈怠。”

如今，在“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星預(yù)定科學(xué)任務(wù)全部完成之時(shí)，白春禮又說了同樣意思的一番話：“創(chuàng)新永無止境，也容不得半點(diǎn)懈怠，不進(jìn)則退、慢進(jìn)也是退。”

他說，目前，我們?cè)诹孔油ㄐ叛芯款I(lǐng)域保持著領(lǐng)跑優(yōu)勢(shì)，但競爭日趨激烈。美國已經(jīng)發(fā)布了新的量子科研計(jì)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(shì)之嚴(yán)峻和壓力之大，都將超過以往。