夢想還是現實?量子通信的過去、現在與未來

2020-12-05 量子信息專委會

夢想還是現實?量子通信的過去、現在與未來

人類真的可以實現安全的信息傳送嗎?這到底是夢想,還是現實?

2016年的8月16日,我國在酒泉衛星發射中心成功將世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」發射升空。這使我國在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信,構建天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。

我國量子通信科研團隊攻堅克難,在國內組織相關單位聯合討論,找不同的研究機構、大學和科研人員合作,同時建立起相關的實驗室,自己開發相應的器件。

2017年,世界首個遠距離量子保密通信骨幹網「京滬幹線」正式開通。結合「京滬幹線」與「墨子號」的天地鏈路,中國與奧地利之間利用「墨子號」量子科學實驗衛星,在國際上首次成功實現距離達7600公裡的洲際量子密鑰分發,並利用共享密鑰實現加密數據傳輸和視頻通信。

2019年8月,中國和奧地利科學家合作在國際上首次成功實現高維度量子體系的隱形傳態,為複雜量子系統的傳輸以及發展高效量子網絡奠定科學基礎。苑震生教授表示,未來會在現在研究基礎上形成一個立體化更大尺度的全球量子通信網絡。

9月10日在北京雁棲湖,中國科學院與德國國立科學院(Leopoldina)聯合舉辦的第一屆雙邊研討會。會上,中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉作了題為「夢想還是現實?量子通信的過去、現在與未來」的報告。

對信息的安全傳輸是數千年來人類一直追求的夢想。理論上,所有依賴於計算複雜度的經典加密方法原理上都可以被破解,因此在歷史發展中,經典密碼學的每一次進步都被破解技術的進步所擊敗。那麼人類能否發明一種密碼工具來確保信息傳輸的安全性?具體而言,該如何在相距遙遠的兩地實現安全的密鑰分配呢?

量子密鑰分發因其具有理論上的無條件安全性而備受關注,但是在實際系統中,量子密鑰分發系統會由於設備的非完美性而存在安全性漏洞。由於量子密鑰分發過程中,線路的安全性是可以嚴格保障的,因此可能的安全性漏洞就集中在發射端和接收端。誘騙態方案和「測量器件無關」方案分別解決了上述兩端的安全性漏洞。

展望量子通信的未來,描繪了一幅令人遐想的圖景,通過量子衛星與地面光纖網絡,並與經典通信網絡相融合,未來將可形成覆蓋全球的廣域量子通信網絡,全面提升信息安全水平。而利用廣域的量子通信網絡,人類可以發展出空間解析度極高的望遠鏡技術;也可以構建高精度的光頻率傳遞網絡,精度相比現在的微波時頻網絡可以提高4個數量級。而「墨子號」量子衛星發展的空間量子科學實驗技術,也為物理學基本原理研究提供了全新的平臺。

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    也就是說,在現實世界裡,理論上,我們所在的時空並不是連續的,而是按照普朗克長度和普朗克時間而分成的一份一份微小的普朗克時空,或者稱之為「時空包」,為了物理術語的正規化,探討中我們稱之為「量子時空」。因為時間=距離÷速度,而距離與位置相關,所以我們也可以說無法同時測得一個量子的位置和對應的某時刻。因為時空可以被看成是「量子時空」的拼接而成,所以即使根據愛因斯坦的相對論超越了光速,但是根據海森堡的測不準原理,無法精確定位某個過去時空或未來時空,無法精確定位,也就等於是,無法從當前的量子時空跳躍到過去或未來時空。
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