「墨子號」量子科學實驗衛星與阿里量子隱形傳態實驗平臺建立天地鏈路(2016年12月9日攝,合成照片)。新華社記者 金立旺攝
「墨子號」量子科學實驗衛星(以下簡稱「墨子號」)在國際上首次成功實現從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態,兩項結果的科學論文10日在線發表於科學期刊《自然》雜誌。今年6月,「墨子號」首次實現千公裡級星地雙向量子糾纏分發和量子力學非定域性檢驗,研究成果已發表於《科學》雜誌(相關報導見本報6月17日一版)。至此,「墨子號」圓滿實現預先設定的全部三大科學目標。
中國科學院院長白春禮表示,這一成果將為我國繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定堅實的科學與技術基礎。
量子密鑰分發:無法破譯的安全通信
中國科學技術大學常務副校長、「墨子號」量子衛星首席科學家潘建偉院士解釋,所謂「量子密鑰分發」,是指將量子密鑰分發通過量子態的傳輸,在遙遠兩地的用戶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、不可破譯的安全通信方式」。
量子通信通常採用單光子作為物理載體,最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是,這兩種信道的損耗都會隨著距離的增加而呈指數倍增加。傳統的電磁波等通信方式是採用設立基站等方式來加強或放大信號,比如手機通信中每隔一段距離就要設立一個基站。但由於量子態不可克隆,因此不能採取這類方法。那麼,該如何實現安全、長距離、可實用化的量子通信?
利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點,通過衛星的輔助可以大大擴展量子通信距離。
如今,這一嘗試終於成功。
據潘建偉介紹,這一重要成果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,「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,將量子密鑰分發範圍擴展到覆蓋全球。此外,將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網,如合肥量子通信網、濟南量子通信網、京滬幹線等互聯,可以構建覆蓋全球的天地一體化保密通信網絡」。
地星量子隱形傳態:實現分布式量子信息處理網絡的基本單元
量子隱形傳態是量子通信要解決的另一個基礎問題。潘建偉介紹,量子隱形傳態是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的特點,將其攜帶的信息傳遞給對方,而不用傳送物質本身。他說:「遠距離量子隱形傳態是實現分布式量子信息處理網絡的基本單元。」
那麼,是否能夠在地面與衛星之間實現量子隱形傳態,就成了量子通信中需要驗證和解決的關鍵問題之一。
據潘建偉介紹,在「墨子號」實驗中,量子隱形傳態採用地面發射糾纏光子、天上接收的方式。他說:「『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個量子隱形傳態信號,地面向衛星發射糾纏光子,實驗通信距離從500公裡到1400公裡,所有6個待傳送態均以大於99.7%的置信度(被測量值的可信程度)超越經典極限。」
這充分說明量子通信衛星具有實用性,是在全球尺度上實現超遠距離實用化量子密碼和量子隱形傳態最有希望的途徑。潘建偉說,假設在同樣長度的光纖中重複這一工作,需要3800億年才能觀測到1個量子隱形傳態事例。他認為,這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網絡研究,以及空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎。
四項研究將繼續領跑量子通信
「墨子號」於2016年8月16日成功發射,2017年1月18日在軌交付使用。據潘建偉介紹,原本這一實驗的設計時間為兩年,但在短短幾個月時間內就完成了預期目標。未來,科學家們將給自己「加碼」,進行更多的科學實驗。
潘建偉介紹,團隊接下來將主要在四個方面開展進一步工作。
第一,將與歐洲量子通信團隊合作進行洲際量子密鑰分發。潘建偉介紹,目前團隊已順利完成與奧地利格拉茨地面站的對接測試,正在開展量子密鑰分發實驗,接下來將驗證是否具備洲際量子保密通話的條件。而德國和義大利等國也在積極申請,希望能夠加入實驗,洲際量子密鑰分發合作也正在計劃中。
第二,將嘗試量子通信與經典光通信相融合的安全信息傳輸。潘建偉介紹,從目前情況看,全部信息都用量子衛星傳輸不太現實。但可以將量子通信與經典光通信相結合——信息可以通過雷射通信方式加密傳輸,但閱讀信息的密碼通過量子通信傳輸。
第三,將開展衛星組網實驗,實現高效的全球量子通信。潘建偉介紹,「墨子號」是低軌衛星,而且只有一顆,無法直接覆蓋全球,而且只能在地影區,即在夜晚工作。中國科學技術大學研究員、量子衛星科學應用系統總師彭承志說:「研究團隊在國際上首次成功實現地面白天遠距離53公裡自由空間量子密鑰分發,這為未來突破地影區限制實現全球量子通信奠定了技術基礎,進一步開展全天時量子通信是未來我們工作的方向之一。」
第四,將開展基於糾纏的遠距離量子密鑰分發實驗。潘建偉說,目前的量子密鑰分發有一個潛在的危險:如果衛星被敵方控制,那麼量子密鑰就不可信了。「但如果是基於糾纏的量子密鑰分發,就不存在這個問題。不管衛星被誰控制,就接收方來說,只要糾纏還在,就說明密鑰信息是安全的。」潘建偉表示,如果這一目標實現,就如同兩位量子密碼理論的奠基人吉爾斯·布拉薩爾和奧圖·厄科特所指出的那樣——「將最終實現所有密碼學者夢想數千年之久的聖杯。」
白春禮表示,「墨子號」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,為我國在國際上搶佔了量子科技創新制高點,成為國際同行的標杆,實現了「領跑者」的轉變。
(原載於《光明日報》 2017年08月10日 06版)