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科技进展Progress in Science & Technology

“墨子号”顺利完成三大科学实验任务,中国率先掌握星地一体广域量子通信网络技术

发布时间:2017-08-10

日前,中国科学院在京召开新闻发布会对外宣布,“墨子号”量子科学实验卫星提前并圆满实现全部三大既定科学目标,这标志着我国率先掌握星地一体广域量子通信网络技术,为未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。 

中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队,联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、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、国家空间科学中心等,在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下,利用“墨子号”量子科学实验卫星,在国际上首次成功实现了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。

两项成果于北京时间8月10日凌晨1点同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。这是继先前在国际上率先实现千公里级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验的研究成果发表在《科学》杂志[Science 356, 1140 (2017)]之后,我国科学家利用“墨子号”量子卫星实现的空间量子物理研究另外两项重大突破。至此,“墨子号”量子卫星提前并圆满实现全部三大既定科学目标。

实际上,“墨子号”既定三大实验任务于今年年初就已基本完成,比预想提前了一年多,这也再次证明了我国量子卫星工程技术的可靠性、稳定性和成熟性。

千公里级星地双向量子纠缠分发及空间尺度量子力学非定域性检验

潘建伟团队为实现星地量子通信开展了一系列先驱性的实验研究。2003年,潘建伟团队提出了利用卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的方案,随后于2004年在国际上首次实现了水平距离13公里(大于大气层垂直厚度)的自由空间双向量子纠缠分发,验证了穿过大气层进行量子通信的可行性。2011年底,中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年,潘建伟领衔的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态,充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2013年,中科院联合研究团队在青海湖实现了模拟星地相对运动和星地链路大损耗的量子密钥分发实验,全方位验证了卫星到地面的量子密钥分发的可行性。随后,该团队经过艰苦攻关,克服种种困难,最终成功研制了“墨子号”量子科学实验卫星。“墨子号”卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空,经过四个月的在轨测试,2017年1月18日正式交付开展科学实验。

为了配合“墨子号”升空入轨后顺利实施科研任务,中国科学家团队还建设了包括南山、德令哈、兴隆、丽江和阿里5个量子通信地面站在内的地面科学应用系统,与量子卫星共同构成天地一体化量子科学实验系统。此外,奥地利维也纳和格拉茨也设有计划与“墨子号”通信的地面站,用于下一步开展中奥洲际量子密钥分发实验。未来随着地面站数量的增加和更多量子卫星的发射升空,将织就一张覆盖整个地球空间的量子通信网络。

  1200公里星地量子密钥分发

另外,由国盾量子提供产品和技术支持的另一量子通信领域重大工程——国家量子保密通信“京沪干线”已于2016年底全线贯通,目前正在进行各项严格的技术测试,并已经实现了工商银行异地数据千公里级量子加密传输应用、交通银行企业网银量子保密通信创新应用、阿里云云上量子加密通信服务等。干线连接北京、上海,贯穿济南、合肥等地,共计实现了32个节点连接的2000多公里光纤量子密钥分发,成为全球已经贯通的最长量子保密通信干线。这样一来,自由空间和光纤通信的量子密钥分发距离纪录均由中国团队保持。

在国科量子网络公司的协助下,中科大“京沪干线”和量子卫星团队正积极推动更大范围的创新应用。目前,“墨子号”已实现了南山地面站和兴隆地面站之间的量子密钥分发,并通过兴隆、峪口、林河、上地、大塔共五个中继站,完成了与“京沪干线”的对接。南山地面站已经可以通过“墨子号”和“京沪干线”配合生成量子密钥,实现了与北京、济南、合肥、上海的用户节点之间的量子安全通信。   

“京沪干线”的全线贯通和“墨子号”科学实验任务的顺利完成,标志着我国在量子通信技术领域已全面处于国际领先地位。两者的结合,将初步构建我国天地一体化的广域量子通信网络基础设施,为推动量子通信技术的深入应用、形成战略性新兴产业奠定坚实的基础。

对于星地量子密钥分发实验成果,《自然》杂志的审稿人称赞是 “令人钦佩的成就” (“an impressive achievement”)和“本领域的一个里程碑”(“it constitutes a milestone in the field”),并断言“毫无疑问将引起量子信息、空间科学等领域的科学家和普通大众的高度兴趣,并导致公众媒体极为广泛的报道”(“I have no doubt that it will attract the interest of scientists working in a variety of fields (including quantum information science and space science), the general public, and lead to very extensive media coverage”)。

对于地星量子隐形传态实验成果,《自然》杂志审稿人称赞“这些结果代表了远距离量子通信持续探索中的重大突破”(“These results represent an important breakthrough in the quest for quantum communications over long distances”), “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”(“This goal is very challenging and new, and it represent a significant advancement of the realization of quantum communications schemes.”)。

1400公里地星量子隐形传态

文章的预印本在学术网站arXiv.org上公开后就受到国际科学媒体广泛关注,比如,自然新闻(Nature news)以“Quantum teleportation is even weirder than you think(量子隐形传态超乎想象的神秘)”为题进行了报道;BBC新闻分别以“First object teleported to Earth's orbit” 和“Teleportation: Photon particles today, humans tomorrow?”为题进行了连续报道,英国《卫报》也以“Beam me up, Scotty! Scientists teleport photons into space”为题进行了相关报道等等。