PDF《中国“量子通信 量子通信””书写传奇》

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cn 2016年1月22日 星期五 科教观潮 大力构建保密通信干线 筹划发射新型通信卫星 中国 中国 量子通信 量子通信 书写传奇 书写传奇

本报记者

本报记者 彭训文 彭训文 于2008 年发布 《量子信息处理与 通信战略报告》 ,提出了欧洲量子通信的分 阶段发展目标,包括实现地面量子通信网 络、星地量子通信、空地一体的千公里级 量子通信网络等.2008年 9月,欧盟发布了 关于量子密码的商业白皮书,启动量子通 信技术标准化研究,并联合了来自

12 个欧 盟国家的

41 个伙伴小组成立了 基于量子 密码的安全通信 工程.同年,该工程在 维也纳现场演示了一个基于商业网络的包 含 6个节点的量子通信网络.同时,欧空局 正在与来自欧洲、美洲、澳大利亚和日本 的多国科学家团队合作开展空间量子实验. 国防部支持的 高级研究与发 展活动 计划致力于把量子通信应用拓展 到卫星通信、城域以及远距离光纤网络. 国防部高级研究计划署和洛斯阿拉莫斯国 家实验室于

2009 年分别建成了两个多节点 量子通信互联网络,并与空军合作进行了 基于飞机平台的自由空间量子通信研究. 资料显示,美国航空航天局计划在其总部 与喷气推进实验室之间建立一个直线距离 600公里、光纤皮长1000公里左右的包含10 个骨干节点的远距离光纤量子通信干线, 并计划拓展到星地量子通信. 目前年投入

2 亿美元,规划在

5 至10 年内建成全国性的 高速量子通信网.日本 的国家情报通信研究机 构也启动了一个长期支 持计划.日本国立信息 通信研究院计划在

2020 年实现量子中继,到2040 年建成极限容量、无条件安全的广域光纤 与自由空间量子通信网 络.2010 年,日本东京 建成了 6节点城域量子通 信网络 Tokyo QKD Network ,在全网演示 了视频通话,并演示了 网络监控. 在2015年国家科学技术奖励大会上,一支由中 国科技大学的

70 后 院士、

80 后 教授组成的 青春战队 格外引人注目.他们在中科院院士潘 建伟带领下,凭借 多光子纠缠和干涉度量学 , 奋力摘得国家自然科学一等奖. 他们所研究的光 子,是量子的一种. 量子是一个能量的最小单位,所有微观粒子如 分子、原子、电子、光子等都是量子的一种表现形 态.我们看到的光,就是由数以万亿计的光量子组 成的. 研究量子有什么用? 用处很多, 比如: 利用量 子纠缠, 我们的通信将能实现绝对安全, 让 棱镜门 等泄密事件从此作古;

若制造出

100 个粒子纠缠的 量子计算机, 其计算速度将比目前最快的超级计算 机 天河二号 还快百亿亿倍. 更神奇的是, 利用量子 隐形传态, 未来人类往返世界各地, 甚至进行星际旅 行, 需要的时间也仅仅是 嗖 的一下. 事实上,中国的量子通信技术已达到世界顶尖 水平, 领先欧美国家. 今年, 世界上第一条量子通信 保密干线 京沪干线 将开通. 同时, 由中国科学家自 主研发的世界首颗 量子科学实验卫星 也发射在 即. 潘建伟在接受采访时表示, 我国正以这两大工程 构建一个天地一体化的量子通信网络雏形,最终目 标是建立一个覆盖全国甚至覆盖全球的广域量子保 密通讯网络. 要说清楚量子通信的宏伟蓝图,我 们还得从量子力学讲起.这是一个与牛 顿力学等经典力学差异很大的物理学分 支,被誉为迄今为止描述微观世界最准 确的理论. 量子是什么? 通俗地解释就是把能量 等物理量一份份往下分, 分到无法再分的 小块儿, 这个小块就是量子. 如氢原子中 电子的能量只能取一个基本值――-13.6 电子伏特或者其1/

4、 1/

9、 1/

16、 1/25 等,而不能取其

2 倍或 1/

2、1/3.这就 好比上台阶,只能上一个台阶,而不能 上半个. 量子力学和经典力学的根本区别在 于确定性问题.与我们常识里的事物具 有确定的位置相反,量子力学中的粒子 状态是不确定的,而且是一种客观真实 的状态.这种状态有两个基本原理. 一个是量子态叠加原理.根据量子 力学理论,物质在微观尺度上存在两种 完全相反状态并存的奇特状况.如何来 证明这种原理呢?奥地利物理学家薛定 谔在

1935 年提出的 薛定谔猫 佯谬提 供了一种思路. 薛定谔猫 佯谬假设了这样一种情 况: 将一只猫关在装有少量镭和氰化物的 密闭容器里. 镭的衰变存在几率, 如果镭 发生衰变, 会触发机关打碎装有氰化物的 瓶子, 猫就会死;

如果镭不发生衰变, 猫就 存活. 根据量子力学理论, 由于放射性的 镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加, 猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态. 这只既死又活的猫就是量子物理界 著名的 薛定谔猫 . 如果把量子叠加 原理合到多个量子的情况会是什么呢? 这就是量子力学的另一个基本原理―― 爱因斯坦称为 遥远距离诡异的相互作 用 的量子纠缠.就像双胞胎心灵感应 一样,这两颗骰子无论相距多远,掷出 来的结果始终是一样的 (当然,爱因斯 坦坚称 上帝不会掷骰子 ) . 我们再以 薛定谔猫 来解释:整 个状态现在处于镭是否发生衰变和猫是 死是活的叠加状态,用一个等式来表示 就是:整体状态=镭发生衰变而且猫死了 (A) + 镭没有发生衰变而且猫活着(B) .当你打开容器盖子观看猫是不是死 了的那一刻,整个状态就被确定了,要 么是 A,要么是 B,而且另一种状态也跟 着消失了.这就是量子的纠缠态.在量 子世界中,处于纠缠态的两个粒子不论 分开多远,如果对其中一个粒子作用, 另一个粒子就会立即发生相应变化,而 且不受时空限制,是瞬时变化. 如此神秘的量子叠加原理和量子纠缠,我们到底能拿它来做些什 么呢?一个已经被潘建伟团队研究得很成熟的应用是量子保密通讯. 现在被认为最安全的信息传递方式是光纤通讯.光缆能把所有的 光能限制在光纤里,外面得不到能量,所以这个传输被认为是安全 的.但随着科技发展,只需让光缆泄露哪怕很少一部分能量,我们就 能够窃听光缆传递的信号.潘建伟解释说,这是因为经典通信的信号 只有

0 和1,发生窃听时,这两种信号不会被扰动.如两人打电话时, 他人可通过窃听器,从通信线路中的上千万个电子中分出一些电子, 使其进入另一根线路,从而实现窃听,而通话者无法察觉. 量子通信则完全不会出现这个问题.除了因为量子信号有

0、

1、 0+

1、0-1等量子叠加态,还因为量子由这种叠加态而产生的不可克隆 原理. 根据量子力学理论,对任意一个未知的量子态进行完全相同的 复制的过程是不可实现的.也就是说,量子信号一旦被窃听,量子叠 加态就会受到扰动,有可能 塌缩 成另一个量子态.这样一来,通 信双方能立即察觉. 这个方式到底有多安全呢?中科院量子信息与量子科技前沿卓越 创新中心成员、中国科学技术大学上海研究院副研究员张文卓表示, 只要因果性成立,只要信息传递不超过光速,时间不逆转,比如我们 回不到过去,这个通信方式就是无条件安全的 . 当然,量子应用还有更大的前景.首先一个应用是计算机运算能 力的飞跃.现在计算机的运算单位比特只有 0和 1这两种状态,但量子 计算机中可以处在 0和 1的叠加状上.如果操纵的量子数目增多,它就 会以指数级增长来提升计算机的运算速度.例如,如果操纵

25 个量 子,计算机的能力就能达到现有四核计算机的水平;

如果操纵

50 个量 子,现在世界上最快的计算机―― 天河二号 的计算能力就赶不上 了;

如果操纵

100 个量子,其计算能力可能比 天河二号 还快百亿 亿倍. 这么快的运算速度,将使我们的日常生活大大改变.例如在公共 安全领域,量子计算可以瞬间处理监控数据库中

60 亿人次的脸部图 片,并实时辨别出一个人的身份;

在公共交通领域,量子计算能够迅 速对复杂的交通状况进行分析预判,从而调度综合交通系统最大限度 避免道路拥堵;

在气象预测方面,量子计算能够将仪器检测数据结合 模型全面预测分析,从而实现更高精准度的天气预报…… 目前,量子保密通信技术已经从实验室演示走向产业化和实用化,正 朝着高速率、远距离、网络化的方向快速发展.然而,要实际应用量子通 信,主要困难是长距离传输过程中会出现信号损耗.这方面,世界上现今 一个比较公认的路线图是先利用光纤在城市内构建一个网络,然后利用中 继连接城市间,再通过卫星的中转实现远距离的量子通讯.

20 多年来,潘建伟等中国科学家从研制量子通信网络终端设备、微光 探测核心器件、网控设备等一个个产品做起,从几十公里光纤量子密钥分 发转到自由空间纠缠光子分发,从实现对单光子的精确操纵到实现四光子 (2003 年) 、五光子 (2004 年) 、六光子 (2007 年) 、八光子纠缠 (2012 年) ……英国 《自然》 杂志感叹说, 这标志着中国在量子通信领域的崛 起,从十年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北 美. 正是基于这些技术积累,2013 年,我国量子保密通信 京沪干线 项目获国家发展改革委批复立项.根据方案,北京、上海、合肥、济南都 将分别建成城域量子通信网,一旦完成城市间线路的接通,就可以实现京 沪间全长2025公里、4城市间网状8Gbps的量子保密通信. 合肥示范网 46个、济南 90多个节点已顺利建成并开始测试,北京、上 海城域量子通信网将在今年夏天前建成,整个 京沪干线 将于今年开 通.专家预计,2025―2030年,覆盖全国的量子通信网络也有望建成. 另 一方面,为实现高速星地量子通信并连接地面的城域量子通信网络,我国 首颗量子科学实验卫星也将在今年发射. 量子科学实验卫星工程常务副总师、中科院上海分院副院长王建宇表 示,卫星旨在开展卫星与地面之间绝对安全的高速量子密钥分发实验,通 过高精度的捕获和跟瞄系统,建立超远距离的量子信道,并在此基础上进 行广域量子通信网络的演示.这将是国际上首次星地间量子通信实验.如 果实验成功,我国有望在未来发射多颗量子通信卫星,逐步建立覆盖全球 的量子通信网络. 可以期待, 在不久的将来, 我们就可以享受量子通信一次一密、 完全随机 带来的巨大红利. 去年 10月, 阿里云与中科院旗下国盾量子联合发布量子加 密通信产品, 这是全球首家云服务商提供量子安全传输产品落地服务. 阿里巴巴集团首席技术官王坚表示, 以前我们在科学技术发展........