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从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2019-09-28浏览次数:1259

世界上第一次,“墨子”量子科学实验卫星成功地实现了从卫星到地面的量子密钥分配以及从地面到卫星的量子隐形传输。到目前为止,预先设定的所有三个科学目标都已成功实现。今后,我们将继续引领世界在量子通信技术的发展和空间尺度上量子物理基础问题的前沿研究,奠定坚实的科学技术基础。

中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等研究团队,结合中国科学院上海技术物理研究所,王建宇研究组,微卫星创新研究所,光电技术研究所,国家天文台,紫金山天文台,南京天文仪器有限公司和国家空间科学中心,在中国科学院空间科学战略科学试验科技项目的支持下,使用了“墨子”量子科学实验卫星首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分配。从地面到卫星的量子隐形传态。

这两项结果于北京时间8月10日凌晨1点在国际权威学术期刊《自然》在线发表。这是之前在量子公里的国际开创性二维量子纠缠分布和量子力学的非局部性测试《科学》[Science 356,1140(2017)]中的研究结果。墨子对空间量子物理研究还有两个重大突破。到目前为止,“墨子”量子卫星已经提前并令人满意地实现了所有三个既定的科学目标。

量子通信的研究内容之一是量子密钥分配。通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本要求。几千年来,人们对通信安全的追求从未停止过。然而,基于计算复杂性的传统加密技术原则上有可能被破译。随着数学和计算能力的不断提高,经典密码被破译的可能性正在增加。

与传统通信不同,量子密钥分发使用量子状态传输在远程位置共享无条件安全密钥,并使用该密钥一劳永逸地加密信息。这是唯一已知的人类。无条件和安全的通信方法,无法被窃听或无法解密。

量子通信的另一个重要方面是量子隐形传态,它使用量子纠缠将物质的未知量子态精确地传输到远处的位置而不传输物质本身。远程量子隐形传态是实现分布式量子信息处理网络的基本单元。

量子通信通常使用单光子作为物理载体。最直接的方式是通过光纤或近地表自由空间信道进行传输。然而,两个通道的损失随着距离的增加呈指数增长。由于量子非克隆原理,单光子量子信息不能像经典通信那样被放大,这使得量子通信的世界记录达到了百公里。根据这些数据,通过一条长达1200公里的光纤,即使是每秒十亿次发射的单光子光源和一个完美的探测器也可能需要数百万年的时间来建立一个位密钥。因此,如何实现安全,远距离,实用的量子通信是这一领域的最大挑战,也是国际学术界几十年来的共同目标。

通过利用外太空中的几乎真空并因此光信号的损失非常小,可以通过卫星辅助大大扩展量子通信距离。同时,由于卫星具有易于覆盖全球的独特优势,因此它是实现量子密码学和量子隐形传态在全球范围内实际应用的最有前景的方法。自本世纪初以来,这一方向已成为国际学术界激烈竞争的焦点。

潘建伟团队进行了一系列开创性的实验研究,以实现兴帝的量子交流。 2003年,潘建伟提出了卫星到卫星量子通信,以建立全球量子安全通信网络。然后在2004年,世界上第一次实现了自由空间双向水平距离13公里(大于大气垂直厚度)。量子纠缠分布验证了通过大气进行量子通信的可行性。 2011年底,中国科学院战略试点科技专项“量子科学实验卫星”正式成立。 2012年,潘建伟中国科学院联合研究小组实现了青海湖首次100公里的双向量子纠缠分布和量子隐形传输,充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。 2013年,中国科学院联合研究小组实施了量子密钥分配实验,模拟了恒星的相对运动和青海湖卫星链路的大量丢失,验证了卫星到地面量子密钥分配的可行性。随后,该团队努力克服各种困难,最终成功研制出“墨子”量子科学实验卫星。 “墨子”卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射。经过4个月的在轨测试,科学实验于2017年1月18日正式交付。

星帝的高速量子密钥分布是“墨子”量子卫星的科学目标之一。量子密钥分配实验使用卫星传输量子信号和地面接收模式。当“墨子”量子卫星经过时,它与河北兴隆地面光站建立了光链路,通信距离在645公里到1200公里之间。在1200km的通信距离处,星量子密钥的传输效率比地面光纤信道的传输效率高20个数量级。卫星上的量子诱饵源每秒平均传输4000万个信号光子,并且过轨对接实验可以生成300 kbit安全密钥,平均码率为1.1 kbps。

这一重要成果为构建覆盖全球的量子安全通信网络奠定了坚实的技术基础。基于卫星量子密钥的分布,利用卫星作为可信中继,可以在地球上的任意两点实现密钥共享,并且可以扩展量子密钥分配范围以覆盖整个世界。

此外,量子通信地面站和城际光量子安全通信网络(如合肥量子通信网,济南量子通信网,京沪干线)可互联,构建全球综合秘密通信网络。