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十年后量子通信网络覆盖千家万户
发布日期:2018-03-12

科技日报北京3月7日电“我们相信经过10年左右的努力,量子通信网络就具备覆盖千家万户的条件了。”7日,全国政协委员、中科院院士潘建伟做了这样的展望。他表示,研究团队将进一步推动量子通信技术在金融、政务、国防、电子信息等领域的大规模应用,建立完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统,最终构建基于量子通信安全保障的量子互联网。

政府工作报告指出,五年来,创新驱动发展成果丰硕,科技进步贡献率由52.2%提高到57.5%,载人航天、深海探测、量子通信、大飞机等重大创新成果不断涌现。加快建设创新型国家,要强化基础研究和应用基础研究,启动一批科技创新重大项目,高标准建设国家实验室。

量子通信和量子计算机是我国规划的科技创新2030重大项目,也是国家实验室最早部署的研究领域之一。全国政协委员,我国量子通信研究的领军人物“潘建伟”在接受记者采访时介绍,在去年实现了北京和维也纳之间的世界首次量子洲际通信之后,很多国家都提出了参与这一科研项目的合作意向。今年,我国将开始与意大利、俄罗斯、德国等陆续进行洲际量子通信,从而验证我国量子通信卫星的普适性。

去年,世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”圆满实现了三大既定科学目标,在国际上率先实现了千公里级星地双向量子纠缠分发、千公里级星地高速量子密钥分发和千公里级地星量子隐形传态。国家发改委立项的世界首个远距离量子保密通信骨干网“京沪干线”正式开通。“京沪干线”连接北京、上海,贯穿济南、合肥,全长2000余公里,全线路密钥率大于20kbps,满足上万用户的密钥分发业务需求,可为沿线金融机构、政府部门等提供高安全等级的量子保密通信业务支持。结合“京沪干线”与“墨子号”的天地链路,中国和奥地利之间通过“墨子号”量子卫星在国际上首次成功实现了距离达7600公里的洲际量子密钥分发,并利用共享密钥实现了加密数据传输和视频通信。


潘建伟(图片来源于网络)

潘建伟透露了他们的研究计划——团队将进一步发展新一代卫星量子通信技术,计划在未来5年内研制并发展中高轨量子通信卫星,实现全天时星地量子通信及星间量子通信,并建立与地面城域光纤量子通信网络的无缝连接,初步实现能够业务化运行的广域量子通信网络服务。“在地面上,我们正在国家发改委的支持下构建范围更广的光纤量子通信网络——‘国家广域量子保密通信骨干网’。”潘建伟表示。           

       此外,潘建伟院士介绍,今年将争取启动“量子通信全球组网”预研项目,一方面希望通过研究攻克量子卫星在白天通信的技术难点,另一方面将陆续发射4到5颗量子卫星,实现高低轨卫星的组网,使我国的量子保密通信能够更早地走向更广泛的应用。

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下面大家来了解一下什么是量子通信

量子通讯(Quantum Communication)是指利用量子效应加密并进行信息传输的一种通讯方式。

量子通讯主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等,这门学科已逐步从理论走向实验,并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理,量子通讯具有高效率和绝对安全等特点,并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。

量子通讯系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输,后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送。从物理学角度,可以这样来想象隐形传送的过程:先提取原物的所有信息,然后将这些信息传送到接收地点,接收者依据这些信息,选取与构成原物完全相同的基本单元,制造出原物完美的复制品。但是,量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息,这个复制品不可能是完美的。因此长期以来,隐形传送不过是一种幻想而已。

1993年,6位来自不同国家的科学家,提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传态的方案:将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方,把另一个子制备到该量子态上,而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是:将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分,它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的,量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息;接收者在获得这两种信息后,就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态,而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知,而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。

在这个方案中,纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。量子力学是非定域的理论,这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实,因此,量子力学展现出许多反直观的效应。在量子力学中能够以这样的方式制备两个粒子态,在它们之间的关联不能被经典地解释,这样的态称为纠缠态,量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间的非定域非经典的关联。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义,而且可以用量子态作为信息载体,通过量子态的传送完成大容量信息的传输,实现原则上不可破译的量子保密通信。1997年,在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作,首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”,作为信息载体的光子本身并不被传输。为了进行远距离的量子态隐形传输,往往需要事先让相距遥远的两地共同拥有最大量子纠缠态。但是,由于存在各种不可避免的环境噪声,量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此,如何提纯高品质的量子纠缠态是量子通信研究中的重要课题。   

国际上许多研究小组都在对这一课题进行研究,并提出了一系列量子纠缠态纯化的理论方案,但是没有一个是能用现有技术实现的。潘建伟等人发现了利用现有技术在实验上是可行的量子纠缠态纯化的理论方案,原则上解决了在远距离量子通信中的根本问题。这项研究成果受到国际科学界的高度评价,被称为“远距离量子通信研究的一个飞跃”。


图片/文章转自:网络

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