——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學(xué)院辦院方針
語音播報(bào)
位于青海湖海心山的糾纏源(示意圖),用于百公里量級自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。圖片來源:《中國國家天文》雜志
量子通信想象圖
近十年來,人們在實(shí)現(xiàn)長程量子通信的關(guān)鍵技術(shù),如單光子源、量子存儲(chǔ)等方面都取得了長足的進(jìn)展,這都為最終實(shí)現(xiàn)可用的量子中繼,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信打下了基礎(chǔ)。而未來,在另一個(gè)可能的長程量子通信方案——自由空間中的星地傳輸方面,我國的研究水平也必將一馬當(dāng)先。我國已率先發(fā)射了墨子衛(wèi)星,建立了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),今后隨著研究深入,人們將更清楚這兩種不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)。
中科院院士潘建偉曾展望,希望通過10年左右的努力,將來每個(gè)人在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行的轉(zhuǎn)款、支付等消費(fèi)行為,都能夠享受到量子通信的安全保障。
“我們大多中國人都知道老子、孔子、莊子、墨子……真不知道量子!您能不能給我們科普一下,量子是什么子?”今年2月初舉辦的“2016感動(dòng)中國年度人物”頒獎(jiǎng)典禮上,面對當(dāng)選“十大年度人物”的中科院院士潘建偉,央視主持人打趣地問。
就是這被潘院士釋為“小小的顆粒”的量子,在2016年8月的一個(gè)夏夜“突然網(wǎng)紅”,世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空,一張縱橫寰宇的量子通信“天地網(wǎng)”正逐步織就。我國量子通信領(lǐng)域取得的卓越成就,驚艷了國人,在世界舞臺(tái)迎來高光時(shí)刻。
量子通信技術(shù)旨在利用量子態(tài)實(shí)現(xiàn)信息的編碼、傳輸、處理和解碼,特別是利用量子態(tài)(單光子態(tài)和糾纏態(tài))實(shí)現(xiàn)量子密鑰的分配。目前,量子通信與量子計(jì)算機(jī)已被列入我國《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》“科技創(chuàng)新2030—重大項(xiàng)目”,是體現(xiàn)國家戰(zhàn)略意圖的重大科技項(xiàng)目。
當(dāng)“領(lǐng)跑”成為習(xí)慣……
著眼當(dāng)下,“在量子通信方面,我們的技術(shù)與國際最好水平相當(dāng);特別是實(shí)用化的量子密鑰分配技術(shù),中國引領(lǐng)了國際水平。”中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室韓永建教授對科技日報(bào)記者介紹。
這項(xiàng)韓永建口中領(lǐng)先的實(shí)用化量子密鑰分配技術(shù),我國已十多年在世界范圍內(nèi)“獨(dú)孤求敗”。2005年,中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室就已經(jīng)在商用光纖上實(shí)現(xiàn)了北京和天津之間125公里的量子密鑰傳輸實(shí)驗(yàn),為城域的量子密鑰分配奠定了基礎(chǔ)。2016年中國發(fā)射了“墨子號”衛(wèi)星,為星地之間自由空間的密鑰分配(量子通信)打下了基礎(chǔ),國家量子通信骨干網(wǎng)“京滬干線”項(xiàng)目合肥至上海段當(dāng)年底順利開通。韓永建表示,這些成果都處于世界領(lǐng)先水平。此外,在量子密鑰系統(tǒng)的研究以及商業(yè)化方面,我國也居于領(lǐng)跑位置。
突破前夜 多項(xiàng)成果呼之欲出
“經(jīng)過20多年的投入和研究,量子信息技術(shù)處于取得巨大突破的前夜,相關(guān)新技術(shù)將不斷涌現(xiàn)?!表n永建表示,量子通信(特別是量子密鑰分配)目前在城域范圍(200公里)內(nèi)已處于商業(yè)階段,其他相關(guān)的設(shè)備今后會(huì)迅速地跟進(jìn)完善。
其中,非常重要的量子通信“神器”之一——可用量子中繼的問世指日可待。什么是量子中繼呢?韓永建介紹,光子是天然的量子通信載體,為實(shí)現(xiàn)量子通信,其核心問題是把量子態(tài)傳輸或分配到足夠遠(yuǎn)的地方。由于傳輸信道的特性,光子不可避免會(huì)丟失,隨著距離的增加,這種衰減是指數(shù)增長的,因而傳輸距離會(huì)受到極大的限制。解決問題的關(guān)鍵便是引入量子中繼。
近十年來,人們在實(shí)現(xiàn)長程量子通信的關(guān)鍵技術(shù),如單光子源、量子存儲(chǔ)等方面都取得了長足的進(jìn)展,“這都為最終實(shí)現(xiàn)可用的量子中繼,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信打下了基礎(chǔ)。”韓永建表示。而未來,在另一個(gè)可能的長程量子通信方案——自由空間中的星地傳輸方面,我國的研究水平也必將一馬當(dāng)先。我國已率先發(fā)射了墨子衛(wèi)星,建立了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),今后隨著研究深入,人們將更清楚這兩種不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)。
10年內(nèi)“飛”入千萬家
如此高精尖的量子通信技術(shù),未來有哪些用武之地,又將如何惠及普通大眾?中科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室副研究員袁嵐峰對科技日報(bào)記者說,“量子通信最大的優(yōu)越性就在于保密,只要有消費(fèi)者認(rèn)為自己的信息值得高度保密,量子通信就不乏潛在的用戶。目前已經(jīng)有政府和金融單位在試用量子通信產(chǎn)品”。潘建偉院士也曾表示,如果沒有信息安全,所有重要的應(yīng)用都是無法運(yùn)行的。假如你有一輛無人駕駛汽車,別人用信號控制一下它怎么辦?作為迄今唯一被證明理論上無條件安全的量子通信,“它可以覆蓋到所有需要信息安全的地方”。
量子通信民用普及的程度取決于其成本下降的快慢,袁嵐峰介紹,量子保密通信的終端機(jī),五年間成本就從百萬元下降到一二十萬元左右,降幅近10倍。他估計(jì),在可預(yù)見的未來,終端設(shè)備還可能降至萬元以下,進(jìn)入家庭是完全可能的,會(huì)有廣闊的消費(fèi)者市場。
潘建偉也曾展望,希望通過10年左右的努力,將來每個(gè)人在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行的轉(zhuǎn)款、支付等消費(fèi)行為,都能夠享受到量子通信的安全保障。
未來天地量子通信的鏈路正在打開
中科院院士、南京郵電大學(xué)教授尹浩預(yù)測,到2020年,中國區(qū)域量子通信網(wǎng)絡(luò)可成熟應(yīng)用;到2030年,星地一體的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)即可投入應(yīng)用。潘建偉則詳細(xì)地描述了未來的圖景——隨著衛(wèi)星的發(fā)射,未來天地量子通信的鏈路就打開了,打開后我們就可以暢想,也許將來天上不止一顆星,會(huì)有幾顆甚至幾十顆星?!盎蛘呖梢园盐覀兊脑O(shè)備搭載到我國現(xiàn)有的一些星群上面,構(gòu)成一個(gè)星座。有了星座之后,就可以非常方便地來實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的量子密鑰分發(fā)。我想這是對量子通信未來發(fā)展非常重要的一步。”
“以先賢的名義,做前無古人的事業(yè)”,這是感動(dòng)中國評委對潘建偉的頒獎(jiǎng)詞。“墨子”號的上天,之所以有前無古人的意義,袁嵐峰認(rèn)為,緣于它標(biāo)志著中國即將開啟一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè),這從人類進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)以來還是第一次。“中國的高鐵現(xiàn)在已是世界領(lǐng)先,但日本早就有新干線了;華為在通信領(lǐng)域做到世界第一,但通信行業(yè)也早已存在。只有量子通信,在國際上是沒有先例的,所以這個(gè)中國首創(chuàng)的產(chǎn)業(yè)歷史意義非常重大。以潘建偉、郭光燦、杜江峰為代表的一批科學(xué)家所開創(chuàng)的業(yè)績,是時(shí)代的最強(qiáng)音?!?/p>
未來,我國量子科學(xué)家“夢之隊(duì)”,必將在究天人之際、與科學(xué)“糾纏”的求索之路上始終不渝地走下去,完成先賢未竟的事業(yè)。
?。ㄔd于《科技日報(bào)》 2017-03-11 09版)
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