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中国领跑量子太空竞赛 建立跨大陆的量子通信连接

时间:2016年08月16日 信息来源:中国科技网-科技日报 点击: 【字体:

示意图 卫星发出一对纠缠光子,两个站同时收到。


经过十三年准备,“墨子号”终于成功升空。


“墨子号”是世界上首颗量子科学实验卫星。量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟说,给它起名“墨子”,是因为墨子首先通过小孔成像实验发现了光沿直线传播,而且他也提出了某种意义上的“粒子论”。


带着中国先贤的名字,这颗卫星于凌晨发射至高度为500公里的预定轨道。半夜发射一颗太阳同步卫星,是为了保证它每次飞过中国上空都在夜间,夜间试验可以规避光线干扰。


那么,量子卫星的前世今生是什么?它是否会成为世界量子通信研究领域最亮的“星”?


量子卫星设想由来已久


“2003年,我们想到,为了真正实现远距离量子通讯,可能需要卫星。”8月15日,东风航天城的东风宾馆,潘建伟面对媒体回忆起量子卫星想法的诞生。


那时,距离潘建伟在中国建立第一个光量子操纵实验室,仅仅两年。


量子有许多神奇的特性,其中之一就是“纠缠”。对处于纠缠态的其中一个粒子进行操作,会影响到另一个粒子。不管这两个粒子相距多远,他们都有着不可思议的“心灵感应”。


于是,量子隐形传态的概念被提出:关于一个量子客体的全部信息在某个地点被扫描输入,又能在一个新的地点重构出来。


但是,传递处于纠缠态粒子的过程,充满着噪音、散射和各种形式的其他干扰,任何一种干扰都会破坏隐形传态所必需的精巧的量子关联。比如,纠缠光子通过光纤传输,但光纤会吸收光,这大大限制了光子的传输距离。潘建伟说,即使存在超出目前技术水平的10G赫兹理想单光子源和100%探测效率的理想单光子探测器,但若要在1000公里光纤中进行点对点量子通信,每300年也只能传输一个比特。“因此,要实现覆盖全球的广域量子保密通信,还需要借助卫星的中转。”


通过一系列的实验,量子隐形传态的距离纪录被中外科学家一再刷新。


2005年,潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验,证实光子穿透大气层后,其量子态能够有效保持。


2007年开始,潘建伟与中科院一些机构合作,做地面验证。2010年,他们论证了发射卫星的可能性;2011年底,量子科学实验卫星项目正式立项。


困难全都得自己解决。


“墨子号”常务副总师兼卫星总指挥王建宇说,他的工作就是帮助科学家梦想成真。“2011年到今天,我们经历了原理样机、初样、正样几个阶段的努力。因为是国际上第一颗量子卫星,毫无参照。以前有些卫星任务,多少能找到参考,在国际做法的基础上改进。但量子卫星的困难全得自己解决。”


王建宇举了一个难点:“首先,卫星微弱的光发下来,地面要收到。一千公里远,0.7个角秒,对不准不行,而且地面要收到每一个光子。因为光的编码是偏振状态,我们不但要收到光子,还要完美检测偏振状态,才能变成密码。”


王建宇打比方说,这就相当于人坐在万米高空的飞机,向下扔一连串硬币,要扔进一个慢慢旋转的储币罐的缝里。必须瞄准好,因为硬币斜了也投不进去。而且,“密钥分发时候,每秒钟要接收1亿个光子。这些光子的次序还不能搞错,搞错就白收了。”王建宇说。


接受光子的望远镜的灵敏度,相当于月球上划一根火柴,地球上就要测到。而潘建伟则比作:在地球上能看清木星卫星上的车牌号。


“卫星上发出一对纠缠光子,要两个站同时收到,国际上从未做过。”王建宇说,“美国人做过一个点对准。他们是强光通信,要用强光引导。我们是弱光通信,用5种光,还要区分出来。”


潘建伟坦言,卫星研制过程中,遇到了各种难题,很难说哪个困难最大。他透露,在卫星设计过程中,他们也有过重要的调整。“宇宙中有很多高能粒子,我们的卫星要接受地面信号,需要红外探测器在宇宙环境中,单光子水平下长时间工作。西欧给出的测试报告,说探测器可以经受高能粒子打击。结果我们去验证,1个星期探测器就被打坏了。于是,我们就想将轨道搞低一点,避开高能粒子,但作用有限。后来我们又用了一种办法,让探测器即使身处高能粒子打击下,还能工作1年以上。”


建立跨大陆的量子通信连接


其实,在自由空间量子通信领域,潘建伟的竞争对手之一,就是他曾经的导师,奥地利科学院院长、物理学教授安东·蔡林格(Anton Zeilinger)。


从纠缠光子分发到量子隐形传态,中国团队和奥地利团队不断竞争,立下一个又一个里程碑。


蔡林格研究组同样一直在和欧洲空间局商讨建立量子卫星计划。但是,“它的运行机制太慢了,以至于没有做出任何决策”。


“墨子号”发射成功,中国团队在量子太空竞赛中,已经领先一步。


现在,潘建伟和蔡林格团队有了一个共同目标——在北京和维也纳之间生成和共享一个安全的量子密钥。


量子密钥,即发送方和接收方采用单光子状态作为信息载体来建立的密钥。单光子不可分割、不可复制,也无法被精确地测量。无论现在还是将来,无论破译者掌握怎样先进的窃听技术,基于量子力学原理而建立的密钥,不可能被破解。


这就是“绝对安全”。量子通信被视为保障未来信息社会通信安全的重要技术基础。


“随着中国科技的迅猛发展,我相信量子通信将在不到10年时间里辐射千家万户。期盼在我有生之年,能亲眼目睹以量子计算为终端、以量子通信为安全保障的量子互联网的诞生。”潘建伟说,“相信我国科学家做得到。”


奥地利的研究团队同样投入热情,加入这场新的国际合作。蔡林格说:“我的一个学生正开始学习汉语。”他希望,此次量子科学实验卫星项目,能够为两个大陆之间,建立起第一个量子通信连接。


2030年,建成全球化广域量子通信网络


这样的通信连接,还会有更多。


潘建伟说,从量子卫星到地面跨度为500公里,地面站之间相距1200公里,据他所知,这是国际上跨度最大的单个实验室。


他所说的地面站,是量子卫星科学应用系统的一部分。这个系统的配置为:1个中心——合肥量子科学实验中心;4个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站;1个平台——阿里量子隐形传态实验平台。


卫星的成功发射,并不意味着团队可以稍事休息,这条征途没有尽头。潘建伟心中的时间表,也已经排到了2030年。


“单颗低轨卫星无法覆盖全球,同时由于强烈的太阳光背景,目前的星地量子通信只能在地影区进行。要实现高效的全球化量子通信,还需要形成一个卫星网络。”潘建伟强调。


接下来,团队还要开展空间站“量子调控与光传输研究”项目。该项目将研究星间量子通信技术、全天时量子通信技术等,同时进行量子密钥组网应用、多种技术体制的空间激光通信验证、量子密钥分发与激光通信复合的加密信息传输系统等应用研究,为下一步的卫星组网奠定技术基础。


“如果进展顺利,国家也支持发射多颗量子通信卫星,那么有希望到2030年左右,建成全球化的广域量子通信网络。”潘建伟说。


(作者:高 博 张盖伦)
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