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潘建伟最新工作:量子通信技术实用化飞跃|解读

编者按:
 
“这是十分令人激动的消息。”
 
“这两篇论文的发表意味着潘建伟教授和他的研究团队顺利完成了三项量子实验的展示,这些实验将会是全球任何基于空间的量子网络的核心组成部分。”
 
《自然》杂志物理科学主编卡尔·齐姆勒斯(Karl Ziemelis)谈到的中国“墨子号”量子通信卫星的科学实验成果,8月10日凌晨在《自然》杂志在线发表了两篇论文。
 
一篇论文展示了科学家用相互纠缠的光子安全地传送了至关重要的量子密钥,审稿人称赞该成果是 “令人钦佩的成就”、“本领域的一个里程碑”。
 
另一篇论文展示了如何用处于纠缠态的光子来实现量子力学中最著名却神秘莫测的方面——量子隐形传态。审稿人称赞“这些结果代表了远距离量子通信持续探索中的重大突破”, “这个目标非常新颖并极具挑战性,它代表了量子通信方案现实实现中的重大进步”。
 
至此,“墨子号”顺利完成了预设的全部三大科学目标(另一工作此前已经发表。星地量子纠缠分发,实现大尺度量子非定域性检验[Science 356, 1140 (2017)])。《知识分子》特邀请清华大学物理系教授王向斌解读此次“墨子号”两项最新研究工作的科学内涵。
 
撰文|王向斌(清华大学物理系教授)
责编|李晓明
 
中国“墨子号”量子通信卫星在轨运行刚满一年,已经成功实施了量子密钥分发、量子隐形传态等重大科学实验。
 
星地量子通信的目的是为了突破量子通信的距离限制,从而大幅度增强量子通信的实用性。
 
作为量子通信的两大主要内容,量子密钥分发和量子隐形传态可以实现经典通信所无法完成的任务。量子密钥分发可以实现无条件安全保密通信,即便整个通道都被窃听者控制,无论窃听者有多么强大的计算能力,包括量子计算机在内。事实上,这个安全性及其严格证明基于量子物理学基本原理,与算法复杂度无关。而量子隐形传态则是要实现一种神奇诡异的量子通信:在预置纠缠分发的基础上,可以传递一个任意未知的量子态而无需传输该量子态的物理载体本身。这个东西英文叫做quantum teleportation, 好像电报一样只传信息不传物理载体,不同的是,在这里,“电报”的发送者和接收者都无需知道“电报”内容却能完成电报的信息传输。
 
能完成这些任务,是因为利用了单量子态的性质。然而单量子态从原理上无法进行信号放大。普通传输介质,无论是地表自由空间或者光纤,其损耗显著。大体上每15公里损耗一半。这种损耗限制了量子通信距离(或者说,严重降低量子通信成码率),也成为制约量子通信实用化的瓶颈。以卫星为节点,原则上可以彻底突破量子通信的距离限制。地表的光损耗来源于空气的吸收,而星地通信中,大气层外太空没有吸收,只有约10公里等效厚度的大气吸收。这样,以卫星为节点的量子通信成码率可以突破传统的距离限制。
 
刚刚发表于Nature杂志的论文显示,中国“墨子号”卫星所实现的星地量子密钥分发,在轨成码率超越了过去方法20个数量级。
 
道理很清楚,但实现起来要克服重重困难。量子通信要求使用单量子态。以量子密钥分发为例,用强光的经典光通信肯定不行,那样等于对每个密钥制成了无数多个备份发送,对于每个脉冲,窃听者只要取下一个光子则完全掌握了所有“密钥”。“墨子号”卫星采用弱光+诱骗态方法。对于发射的所有弱光脉冲(平均光子数为每脉冲零点几个光子),统计上来说,弱光脉冲中的非真空脉冲等价于说,有些是安全的单光子脉冲,有些是不安全的多光子脉冲。尽管我们不知道哪些脉冲是单光子脉冲,但是,采用诱骗态方法,我们却可以等效地只用了其中单光子脉冲成码,其安全性等价于采用了理想的单光子脉冲源。然而,从卫星上把单光子脉冲打到地面探头,这在技术上难度是惊人的,可以把它比作千里之外针尖对麦芒。这个技术要求远非强光脉冲星地通信的技术要求可比。最近,日本的卫星采用了强光(每脉冲平均光子数位一亿)通信。这相当于把每个密钥比特以一亿个备份同时发出,当然也就无密可保了。理论上,这种做法可以让上亿窃听者获取密钥。中国“墨子号”量子通信卫星采用了弱光+诱骗态方法,确保了量子保密通信的核心科学价值:安全性。
 
“墨子号”卫星成功实现的另外一项科学实验,量子隐形传态,同样需要前述的高难度技术。并且,由于接收端在卫星上,而星上望远镜口径受限,这等同于要克服大于量子密钥分发的通道损耗问题。此项实验的成功完成,也进一步说明了,中国“墨子号”量子通信卫星的科学技术水平处于世界遥遥领先的地位。如此巨大的成就,来源于研究团队十多年的努力耕耘。
 
“墨子号”卫星科学目标的实现,是量子信息通向实用化的关键飞跃。“墨子号”卫星不仅仅是某个团队的成功。那是中国的量子星,也是人类挑战量子技术极限的巨大成就。
 
参考文献:
1.Satellite-to-ground quantum key distribution,Nature(2017) ,doi:10.1038/nature23655
2.Ground-to-satellite quantum teleportation,Nature(2017),doi:10.1038/nature23675
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