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“墨子”实现了星地量子密钥分配,成功实现了“墨子”量子新浪技术的各项目标。

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  • 2019-02-04
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简介    资料来源:墨子沙龙微信公共量子科学实验卫星“墨子”首次成功地实现了星对地量子密钥分配和地对星量子隐形传态,从而成功地实现了三个预定的科学目标,并

    资料来源:墨子沙龙微信公共量子科学实验卫星“墨子”首次成功地实现了星对地量子密钥分配和地对星量子隐形传态,从而成功地实现了三个预定的科学目标,并将继续引领世界量子通信技术与我国未来的空间尺度量子物理。基础问题测试前沿研究奠定了坚实的科学技术基础。中国科技大学潘建伟教授和他的同事彭成志加入了王建宇研究小组、中国科学院上海技术物理研究所、微卫星创新研究所、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台。南京天文仪器有限公司和中国科学院国家空间科学中心。在战略试验技术项目的支持下,墨子量子科学实验卫星首次成功地实现了从卫星到地面的量子密钥分配和从地面到卫星的量子隐形传输。这两项结果于8月10日北京时间凌晨1点在网上发表在权威的国际学术期刊《自然》杂志上。这是继《科学》356、1140(2017)发表的量子力学双向量子纠缠分布和非局域性测试国际研究成果之后,中国科学家利用墨子量子卫星在空间量子物理研究方面取得的又一重大突破。到目前为止,墨子量子卫星已经提前和令人满意地实现了所有三个既定的科学目标。量子通信的研究内容之一是量子密钥分配。通信安全是国家信息安全和人类经济和社会生活的基本要求。几千年来,人们对通信安全的追求从未停止过。然而,基于计算复杂度的传统加密技术在原理上具有解码的可能性。随着数学和计算能力的不断提高,经典密码学被破译的可能性越来越大。与经典通信不同,量子密钥分配(QKD)是人类已知的唯一无条件安全的通信方法,它不能被窃听和解码。量子通信的另一重要内容是量子隐形传态,它利用量子纠缠将未知的物质量子态精确地传送到远处,而不传送物质本身。远程量子隐形传态是分布式量子信息处理网络的基本单元。量子通信通常采用单光子作为物理载体,最直接的方式是通过光纤或近地自由空间信道。然而,随着距离的增加,两个通道的损耗都呈指数增加。由于量子不可克隆的原理,单光子量子信息不能像经典通信那样被放大,这创造了过去100公里量子通信的世界纪录。根据数据,即使用一个每秒100亿发射率的单光子源和一个完美的探测器,要用1200公里的光纤来构建一个位键也需要数百万年的时间。因此,如何实现安全、远程、实用的量子通信是当前量子通信领域的最大挑战,也是国际学术界几十年来的共同目标。由于外空几乎处于真空状态,光信号损耗很小,在卫星的辅助下,量子通信距离可以大大延长。同时,由于卫星具有易于覆盖整个地球的独特优势,它们是实现全球范围超长距离实用量子密码学和量子隐形传态最有希望的方法。本世纪初以来,这一方向已成为国际学术界激烈竞争的焦点。潘建伟的团队为实现卫星对地量子通信进行了一系列开拓性的实验。2003年,潘建伟研究小组提出了实现卫星对地量子通信和建立全球量子安全通信网络的方案。2004年,首次实现了水平距离为13km(大于大气的垂直厚度)的自由空间双向量子纠缠分布,验证了通过大气进行量子通信的可行性。2011年底,中国科学院科技攻关项目“量子科学实验卫星”正式启动。2012年,潘建伟率领中国科学院青海湖联合研究小组,首次实现了100公里的双矢量纠缠分布和量子隐形传态,充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2013年,中国科学院联合研究小组在青海湖进行了量子密钥分配实验,模拟了卫星与地面的相对运动和卫星与地面链路的大损耗,充分验证了卫星与地面量子密钥分配的可行性。随后,该小组在努力解决关键问题和克服各种困难后,成功研制了墨子量子科学实验卫星。墨子卫星于2016年8月16日从酒泉卫星发射中心发射。经过四个月的在轨测试,它于2017年1月18日正式交付进行科学实验。卫星与地面之间的高速量子密钥分配是墨子量子卫星的科学目标之一。量子密钥分配实验利用卫星发射量子信号并在地面接收。“墨子”量子卫星通过后,与河北省兴隆地面光学站建立了光链路。通信距离从645公里到1200公里。在1200km通信距离下,星地量子密钥的传输效率比同距离地面光纤信道的传输效率高20个数量级(万亿倍)。卫星上的量子诱饵光源平均每秒发射4000万个信号光子。单个轨道对接实验可以生成300kbit安全密钥,平均编码率为1.1kbps。这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。基于星对地量子密钥分配,该卫星可作为可信中继,实现地球上任意两点的密钥共享,量子密钥分配范围可扩展到全球。此外,将量子通信地面站与城际光纤量子安全通信网络(如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线)互连,可以构建一个全球性的综合安全通信网络。为此,《自然》杂志的评论者称赞《星际量子密钥分发》的成果是“令人印象深刻的成就”和“领域的里程碑”,并断言“它构成了这个领域的里程碑”无疑会给科学家和普通公众在量子信息、空间科学和等等。”毫无疑问,它将吸引在各个领域(包括量子信息科学和空间科学)工作的科学家、广大公众的兴趣,并导致非常广泛的媒体报道”。地球恒星的量子隐形传态是墨子量子卫星的科学目标之一。量子隐形传态采用从地面发射并从天空接收的纠缠光子的形式。墨子量子卫星通过后,与西藏阿里地面站建立了5100M高度的光学链路,地面光源每秒产生8000个量子隐形传态。地面向卫星发射纠缠光子。实验通信距离从500公里到1400公里。所有六个待传输状态的置信度都超过经典极限99.7%。假设这项工作以相同长度的纤维重复进行,那么观察一个例子需要3800亿年(宇宙年龄的20倍)。这一重要成果为空间尺度量子通信网络、空间量子物理和量子引力实验的未来研究奠定了可靠的技术基础。这些结果代表了在寻求长距离量子通信方面的重要突破。“这个目标是非常新颖和具有挑战性的,并且代表了在实现量子通信方案方面向前迈出的重要一步。这个目标非常具有挑战性和新颖性,它代表了量子通信方案实现的重大进步。该预印本在学术网站arXiv.org上发布后,引起了国际科学媒体的广泛关注。例如,《自然新闻》报道的主题是“量子隐形传态比你想象的要奇怪”。BBC新闻分别报道“第一颗被传送到地球轨道的物体”和“电讯报”。说明:光子粒子今天,人类明天?关于这个话题进行了一系列的报道,《卫报》还写了“给我发条子,斯科蒂!”科学家已经报道了将光子传送到太空,等等。成功实现墨子量子卫星的三个科学目标,为我国继续引领世界量子通信技术的发展和空间尺度量子物理基本问题的前沿研究奠定了坚实的科学基础。作者:林梅,中国科技大学中国科学院量子信息与量子科技创新研究所

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