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量子通信:2030年织就星地一体网(图)
2017-03-16

位于青海湖海心山的纠缠源(示意图),用于百公里量级自由空间量子隐形传态和纠缠分发实验。图片来源:《中国国家天文》杂志

近十年来,人们在实现长程量子通信的关键技术,如单光子源、量子存储等方面都取得了长足的进展,这都为最终实现可用的量子中继,进而实现远距离的量子通信打下了基础。而未来,在另一个可能的长程量子通信方案——自由空间中的星地传输方面,我国的研究水平也必将一马当先。我国已率先发射了墨子卫星,建立了相关的实验平台,今后随着研究深入,人们将更清楚这两种不同方案的优缺点。

中科院院士潘建伟曾展望,希望通过10年左右的努力,将来每个人在互联网上进行的转款、支付等消费行为,都能够享受到量子通信的安全保障。

量子通信想象图

“我们大多中国人都知道老子、孔子、庄子、墨子……真不知道量子!您能不能给我们科普一下,量子是什么子?”今年2月初举办的“2016感动中国年度人物”颁奖典礼上,面对当选“十大年度人物”的中科院院士潘建伟,央视主持人打趣地问。

就是这被潘院士释为“小小的颗粒”的量子,在2016年8月的一个夏夜“突然网红”,世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空,一张纵横寰宇的量子通信“天地网”正逐步织就。我国量子通信领域取得的卓越成就,惊艳了国人,在世界舞台迎来高光时刻。

量子通信技术旨在利用量子态实现信息的编码、传输、处理和解码,特别是利用量子态(单光子态和纠缠态)实现量子密钥的分配。目前,量子通信与量子计算机已被列入我国《“十三五”国家科技创新规划》“科技创新2030—重大项目”,是体现国家战略意图的重大科技项目。

当“领跑”成为习惯……

着眼当下,“在量子通信方面,我们的技术与国际最好水平相当;特别是实用化的量子密钥分配技术,中国引领了国际水平。”中国科学院量子信息重点实验室韩永建教授对科技日报记者介绍。

这项韩永建口中领先的实用化量子密钥分配技术,我国已十多年在世界范围内“独孤求败”。2005年,中科院量子信息重点实验室就已经在商用光纤上实现了北京和天津之间125公里的量子密钥传输实验,为城域的量子密钥分配奠定了基础。2016年中国发射了“墨子号”卫星,为星地之间自由空间的密钥分配(量子通信)打下了基础,国家量子通信骨干网“京沪干线”项目合肥至上海段当年底顺利开通。韩永建表示,这些成果都处于世界领先水平。此外,在量子密钥系统的研究以及商业化方面,我国也居于领跑位置。

突破前夜 多项成果呼之欲出

“经过20多年的投入和研究,量子信息技术处于取得巨大突破的前夜,相关新技术将不断涌现。”韩永建表示,量子通信(特别是量子密钥分配)目前在城域范围(200公里)内已处于商业阶段,其他相关的设备今后会迅速地跟进完善。

其中,非常重要的量子通信“神器”之一——可用量子中继的问世指日可待。什么是量子中继呢?韩永建介绍,光子是天然的量子通信载体,为实现量子通信,其核心问题是把量子态传输或分配到足够远的地方。由于传输信道的特性,光子不可避免会丢失,随着距离的增加,这种衰减是指数增长的,因而传输距离会受到极大的限制。解决问题的关键便是引入量子中继。

近十年来,人们在实现长程量子通信的关键技术,如单光子源、量子存储等方面都取得了长足的进展,“这都为最终实现可用的量子中继,进而实现远距离的量子通信打下了基础。”韩永建表示。而未来,在另一个可能的长程量子通信方案——自由空间中的星地传输方面,我国的研究水平也必将一马当先。我国已率先发射了墨子卫星,建立了相关的实验平台,今后随着研究深入,人们将更清楚这两种不同方案的优缺点。

10年内“飞”入千万家

如此高精尖的量子通信技术,未来有哪些用武之地,又将如何惠及普通大众?中科大合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员袁岚峰对科技日报记者说,“量子通信最大的优越性就在于保密,只要有消费者认为自己的信息值得高度保密,量子通信就不乏潜在的用户。目前已经有政府和金融单位在试用量子通信产品”。潘建伟院士也曾表示,如果没有信息安全,所有重要的应用都是无法运行的。假如你有一辆无人驾驶汽车,别人用信号控制一下它怎么办?作为迄今唯一被证明理论上无条件安全的量子通信,“它可以覆盖到所有需要信息安全的地方”。

量子通信民用普及的程度取决于其成本下降的快慢,袁岚峰介绍,量子保密通信的终端机,五年间成本就从百万元下降到一二十万元左右,降幅近10倍。他估计,在可预见的未来,终端设备还可能降至万元以下,进入家庭是完全可能的,会有广阔的消费者市场。

潘建伟也曾展望,希望通过10年左右的努力,将来每个人在互联网上进行的转款、支付等消费行为,都能够享受到量子通信的安全保障。

未来天地量子通信的链路正在打开

中科院院士、南京邮电大学教授尹浩预测,到2020年,中国区域量子通信网络可成熟应用;到2030年,星地一体的广域量子通信网络即可投入应用。潘建伟则详细地描述了未来的图景——随着卫星的发射,未来天地量子通信的链路就打开了,打开后我们就可以畅想,也许将来天上不止一颗星,会有几颗甚至几十颗星。“或者可以把我们的设备搭载到我国现有的一些星群上面,构成一个星座。有了星座之后,就可以非常方便地来实现全球范围内的量子密钥分发。我想这是对量子通信未来发展非常重要的一步。”

“以先贤的名义,做前无古人的事业”,这是感动中国评委对潘建伟的颁奖词。“墨子”号的上天,之所以有前无古人的意义,袁岚峰认为,缘于它标志着中国即将开启一个全新的产业,这从人类进入现代社会以来还是第一次。“中国的高铁现在已是世界领先,但日本早就有新干线了;华为在通信领域做到世界第一,但通信行业也早已存在。只有量子通信,在国际上是没有先例的,所以这个中国首创的产业历史意义非常重大。以潘建伟、郭光灿、杜江峰为代表的一批科学家所开创的业绩,是时代的最强音。”

未来,我国量子科学家“梦之队”,必将在究天人之际、与科学“纠缠”的求索之路上始终不渝地走下去,完成先贤未竟的事业。来源:中国军网

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