搶占量子科技創(chuàng)新制高點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“領(lǐng)跑者”的轉(zhuǎn)變

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國(guó)家天文臺(tái)等，在中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。兩項(xiàng)成果于8月10日同時(shí)在線發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。這是繼先前在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)的研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志之后，中國(guó)科學(xué)家利用“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的空間量子物理研究另外兩項(xiàng)重大突破。

中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)、黨組書記白春禮表示，“墨子號(hào)”開啟了全球化量子通信、空間量子物理學(xué)和量子引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的大門，為中國(guó)在國(guó)際上搶占了量子科技創(chuàng)新制高點(diǎn)，成為了國(guó)際同行的標(biāo)桿，實(shí)現(xiàn)了“領(lǐng)跑者”的轉(zhuǎn)變。

量子保密通信是唯一已知的不可竊聽、不可破譯的安全通信方式

通信安全是國(guó)家信息安全和人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活的基本需求。千百年來(lái)，人們對(duì)于通信安全的追求從未停止。然而，基于計(jì)算復(fù)雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù)，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數(shù)學(xué)和計(jì)算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。

通常認(rèn)為，量子通信主要研究?jī)?nèi)容包括量子密鑰分發(fā)(量子保密通信)和量子隱形傳態(tài)。

量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享無(wú)條件安全的密鑰，利用該密鑰對(duì)信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無(wú)條件安全的通信方式。

“通俗來(lái)講，量子密鑰分發(fā)，就好比一個(gè)人想要傳遞秘密給另外一個(gè)人，需要把存放秘密的箱子和一把鑰匙傳給接收方。接收方只有用這把鑰匙打開箱子，才能取到秘密。沒有這把鑰匙，別人無(wú)法打開箱子，而且一旦這把鑰匙被別人動(dòng)過，傳送者會(huì)立刻發(fā)現(xiàn)，原有的鑰匙作廢，再給一把新的鑰匙，直到確保接收方本人拿到。”潘建偉說。

外太空光信號(hào)損耗小，衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離

量子通信通常采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。如何實(shí)現(xiàn)安全、長(zhǎng)距離、可實(shí)用化的量子通信，是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國(guó)際學(xué)術(shù)界幾十年來(lái)奮斗的共同目標(biāo)。

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總師、衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮王建宇說：“利用外太空幾乎真空因而光信號(hào)損耗非常小的特點(diǎn)，通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離。同時(shí)，由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個(gè)地球的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是在全球尺度上實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離實(shí)用化量子密碼和量子隱形傳態(tài)最有希望的途徑。”

從本世紀(jì)初以來(lái)，該方向已成為了國(guó)際學(xué)術(shù)界激烈角逐的焦點(diǎn)。潘建偉團(tuán)隊(duì)為實(shí)現(xiàn)星地量子通信開展了一系列先驅(qū)性的實(shí)驗(yàn)研究。

為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定可靠的技術(shù)基礎(chǔ)

此次完成的星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一。

潘建偉表示，這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)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(wǎng)(如合肥量子通信網(wǎng)、濟(jì)南量子通信網(wǎng)、京滬干線)互聯(lián)，可以構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò)。

地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的另一個(gè)科學(xué)目標(biāo)之一。彭承志說，這一重要成果為未來(lái)開展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究以及空間量子物理學(xué)和量子引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。