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墨子号量子实验平台:中国科学暂时领先全球

更新时间:2025-01-07 工作计划 版权反馈
【摘要】:图9-2 墨子与墨子号“墨子号”:全球领先的量子实验平台“墨子号”量子科学实验卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。

为什么需要量子卫星

在传统通信技术下,光纤信号的衰减可以通过放大器件进行放大后传输,只要建立好中继站,光纤网络便可以遍布全球。但是量子通信的信息载体是单个的光子,量子的不可复制性也决定了单个光子的信号是不可放大的。由于光纤固有的光子损耗,光子在光纤里传播100公里之后大约只有1‰的信号可以到达最后的接收站,所以,光量子传输难以实现更远距离的拓展,光纤量子通信达到百公里量级后就很难再突破。

光子在自由空间的损耗远低于在光纤中的损耗,因为光子在自由空间的损耗主要来自光斑的发散,大气对光子的吸收和散射远小于光纤。光子穿透整个大气层后却可以保留80%左右,再利用卫星的中转,就可以实现地面上相距数千公里甚至覆盖全球的广域量子保密通信。

图9-2 墨子与墨子号

“墨子号”:全球领先的量子实验平台

“墨子号”量子科学实验卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。卫星有效载荷包括量子纠缠源、量子纠缠发射机、量子密钥通信机及量子实验控制与处理机,共同完成纠缠光子的生成、发送、地面通信以及实验控制。该工程还包括南山、德令哈、兴隆、丽江4个量子通信地面站和一个空间量子隐形传态实验站(阿里量子隐形传态实验平台)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(见图9-3)。

墨子号的主要科学目标:一是借助卫星平台,进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以此期盼在空间量子通信实用化方面取得重大突破;二是在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。为达到上述目标,未来两年内将开展的实验项目有:星地高速量子密钥分发的实验;广域量子通信网络实验任务;星地双向纠缠分发的实验;空间尺度量子隐形传态的实验,目标建立星地量子信道。

图9-3 “量子科学实验卫星”的工作示意图

专栏9-2

“墨子号”的星路历程

2003年,潘建伟提出量子科学实验卫星计划。

2011年1月,中科院空间科学先导专项启动量子卫星纳入其中

2011年12月,量子科学实验卫星工程启动。

2012年12月,转入初样研制阶段,卫星开始成形。

2014年12月,转入正样研制阶段,卫星开始成熟。

2015年12月,完成星地光学对接实验,达到科学目标要求。

2016年2月,完成大系统联试,协调匹配性得到验证。

2016年7月,量子卫星和长征二号丁火箭从上海运往酒泉。

2016年8月,完成测试星箭吊装。

2016年8月16日,世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射。

2016年8月17日,成功接收“墨子号”首轨数据。

资料来源:根据相关报道资料整理

冷静看待“墨子号”升空

虽然我国信息技术仍落后于美国等国家,但是“墨子号”的成功发射意味着我国实现了在量子通信领域的突破,使中国走在量子通信研究与应用领域的世界前列。

对于量子信息研究来说,地面上的量子通信应用发展迅速,但自由空间量子通信还很落后,所以卫星在太空中实现量子通信实验是一个巨大的进步。我国的量子卫星将为全球量子通信系统提供一个试验台。借助“墨子号”卫星平台,如果能够实现星地间量子密钥分发,是对量子通信发展的重要一步,也证实我国具有新的实验技术和实验能力。毕竟量子力学在许多不同的环境和体系下被检验过多次,却从未在太空尺度验证过。如果这个相关基础问题的实验验证能首次走向太空并取得进展,那么在科学和技术的角度上,也具有重大意义。

当然,如果能进一步实现星地双向量子纠缠分发,甚至空间尺度量子隐形传态,那么此次量子卫星的发射必将为未来量子互联网的建设打下坚实的基础。虽然目前看起来实现这一目标相对困难,但科学的魅力就在于无限的可能性。退一万步讲,即便实验不能获得成功,又有什么关系呢?探索自然规律、满足人类好奇心本来就是科学精神的基本内涵之一,而正是这一内涵为解放生产力提供了不计其数的机遇。

附录9-1

中美“量子大战”

量子信息是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科,主要包括量子通信和量子计算两个领域。在研发投入方面,中美两国选择了不同的主攻方向,中国重点研究量子通信,美国则主攻量子计算

量子计算的第一回合

2015年12月9日,NASA与谷歌宣布,制造出了第一台真正利用量子机制运算的计算机,并称这台代号D-WAVE2X的计算机运算速度可以达到普通计算机的一亿倍。当然,这是夸大其词的说法,谷歌的量子计算机只是针对特定环节,做特殊算法的计算机。谷歌的退火算法可以在特定的环节、特定的应用中超过传统计算机,但并不具有普适性。在量子计算中,主要有超导和半导体两种方案。而中国选择了半导体方案。中国科学技术大学杜江峰研究组提出了一种可能具有可行性的量子计算机原理,但真正制造出运用这一原理的计算机仍遥遥无期。

量子计算的第二回合

2016年8月9日,MIT(麻省理工学院)和MIT林肯实验室的研究者发表论文称向实用量子计算机迈出重要一步,该论文描述了一种新型的原型芯片,该芯片可以将离子囚禁在一个电场中,以及使用内置的光学器件将激光引导至每一个离子。2016年8月11日,郭光灿院士带领下的中科院量子信息重点实验室成功研发了半导体量子芯片,虽然只能在低温有磁场的辅助设备中才能工作,但也是我国量子计算机研究取得的突破性进展。(www.xing528.com)

量子通信领域之争

1.美国的量子通信发展历程

1984年,美国和加拿大最先提出BB84方案,标志着量子通信领域的诞生。

1992年,美国的Bennett提出了BB84方案的简化版,称为B92方案,并第一次在实验上原理性演示了量子秘钥分发。

1994年,美国国防高级研究计划局开始致力于用3~5年时间全面推进量子通信技术方面的研究。

1999年,美国实现了500米的自由空间传输。

2003年,美国国防部高级研究计划署领衔建设了DARPA量子通信技术试验网络。

2004年,美国正式投入了世界上第一个量子密码通信网络。

2006年,美国实现了通过普通光纤来传输采用量子密码加密技术的数据,网络传输约10公里。

2009年,美国让相距一米的离子阱中的两个独立原子实现了量子纠缠和远距离量子通信。

2009年,美国政府发布白皮书,要求各科研机构协调开展量子信息技术研究。

2010年,美国的一个国家实验室对量子源产出的近距离红外线单个光子转换、量子局域网的密码体系以及自由空间量子密码等开展了深入研究。

2013年,美国独立研究机构公布了环美量子通信骨干网络项目,该项计划为谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头的数据中心之间的通信提供量子安全服务。

2015年,NASA计划在其总部与喷气推进实验室之间建立一个远距离光纤量子通信干线,该干线直线距离600公里,光纤皮长1000公里,拥有10个中转基站,并计划星地量子通信。

2.中国的量子通信发展历程

1995年,中国科学院物理所在国内首次实现了基于BB84协议的量子通信演示实验(距美国提出BB84协议已经过去了11年)。

2000年,中国科学院物理所完成了全光纤QKD实验系统(量子秘钥分发)。

2001年,潘建伟入选“中科院引进国外杰出人才”,在中国科大组建了量子物理与量子信息实验室。

2003年,首次实现纠缠态纯化以及量子中继器的成功实验;首次成功地实现了自由量子态隐形传输。

2005年,中国科大的郭光灿教授团队在北京和天津之间实现了通信距离为125公里的光纤QKD通信系统实验,使我国在量子通信实用化上取得了重大突破。

2007年,潘建伟小组实现了诱骗态QKD实验,通信距离超过了100公里。

2009年,潘建伟小组又将QKD实验的通信距离扩大到了200公里。

2009年,中国科大的郭光灿小组在安徽芜湖市成立了安徽问天量子科技股份有限公司,并承建“量子政务网”。问天量子是我国首家从事量子信息技术产业化的高新技术企业。

2009年,中国科大和清华大学合作将在自由空间进行传输的QKD系统扩大到16公里。

2011年,中国科学院战略性先导科技专项之一,量子科学试验卫星启动(这个项目的提出比美国早了4年)。

2012年,基于潘建伟小组的科研成果,世界上规模最大的46节点的量子通信试验网在安徽合肥市建成,标志着大容量的量子通信网络技术已经取得了关键突破。

2014年,中国科大的研究团队将远程量子秘钥分发系统的安全距离扩大到了200公里,将成码率提高了3个数量级,并创下世界纪录。

2014年,世界第一条量子信息保密干线——“京沪干线”量子通信工程开工建设。

2015年11月,中国已经部署了一批体现国家战略意图的重大科技项目,量子通信排在第二位,仅次于航空发动机。

2016年8月,首颗量子科学实验卫星发射成功。

综上所述,美国量子信息领域起步早,前瞻性强,涉及面广,基础深厚,在基础研究方面整体上领先中国。中国在量子信息领域起步晚,发展迅速,实现了“点”的突破 从量子通信技术的落地应用来看,中国的量子通信超越了美国。

资料来源:根据相关报道资料整理

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