量子京沪干线

 

■许琦敏

 

全球首颗量子科学实验卫星发射在即。这颗从2003年开始构想的科学卫星，是中科院空间科学战略性先导科技专项中首批确定的5颗科学实验卫星之一。它的发射成功，将标志着我国在量子通信领域走到了世界前沿。今后，我国还将陆续发射多颗量子卫星，力争在2030年前后率先建成全球化的广域量子保密通信网络。

 

我们即将进入一个量子信息时代了吗?　这恐怕为时尚早。量子信息科学诞生已有30多年，包括量子通信、量子计算、量子精密测量等领域，可以在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典信息技术的瓶颈。但目前，离实用最接近的还是量子保密通信。

 

虽然量子非常小，小到就是一份份能量的基本单元，小到不可分割，可它的很多“脾性”却需要非常大的尺度，大到以天地为坐标、以宇宙为背景才能展开。量子科学实验卫星的升空，一是为了验证星地量子保密通信的可行性，二是进行量子纠缠分发、在空间尺度上对量子力学基本原理进行检等，加深人类对量子力学的认识。

 

在国际竞争最为激烈的领域把握制高点

 

量子，被爱因斯坦称为“遥远地点之间的诡异互动”，它很难测准，又不可复制，但处于纠缠态的一对粒子，无论相距多远，都能互相感知和影响。用来做计算机，它能让目前使用的密码瞬间失效；用于通信，又可以做到“绝对安全”。它到底是何方神圣?

 

其实，量子一直充斥在我们周围，比如日常生活中的光，就是由大量光量子组成的。量子世界与我们日常生活的世界最显著的区别就是，多个量子状态可以同时叠加在一起。比如我们在信息处理时用到的比特，只能处于“0”或“1”两种状态之一，而量子信息处理所用到的量子比特，除了“0”和“1”两种状态，还可以同时处于“0”和“1”的相干叠加状态。这意味着，用量子比特编码的大量数据可以同时进行计算，这就可以带来强大的量子计算机。

 

量子科学实验卫星首席科学家、中科院院士潘建伟举了一个例子：如果要用计算机模拟300个两能级粒子体系的演化规律，所需存储单元的数量比已知宇宙中所有的原子数目还要多，现在的计算机就无法胜任了。而对于量子计算机来说，完成这样的任务就只需要300个量子比特。只要明白这一点，就不难想象量子计算机将会带来怎样的变革。

 

然而，要实现这一变革，需要攻克无数难题。比如，要让量子计算机的“心脏”像传统计算机的CPU那样“奔腾”起来，就必须具备操纵多粒子量子纠缠的能力。

 

多粒子纠缠操纵是量子信息领域国际竞争最为激烈的方向之一。世界上有许多小组都在竞相研制量子计算机，但他们都碰到同一个难题：用于量子计算的纠缠态十分脆弱，而且随着量子纠缠数目的增加，实验的难度也呈指数增加。在这点上，潘建伟带领的科研团队一直走在世界前沿。2004年，他们在国际上首次成功实现对五光子纠缠的操纵，被欧洲物理学会和美国物理学会同时评为“年度物理学重大进展”；2012年，潘建伟小组又成功制备了八光子量子纠缠态；最近，十光子纠缠也即将被攻克。这一系列成果表明我国继续领先于美国、德国和奥地利等发达国家，在国际上牢牢地把握了多光子纠缠研究领域的制高点。

 

“在量子领域，目前可能离实用最接近的就是量子保密通信。”潘建伟介绍，实现卫星量子通信一直是国际上科技强国竞相追逐的目标。比如，奥地利的蔡林格研究组以及欧洲众多的优秀研究团队，一直在与欧洲航天局商讨建立以国际空间站为平台的星地量子通信计划。然而，欧空局缓慢的决策机制，使得这一计划一再拖延。而在我国，一方面国家的高强度支持使得包括潘建伟团队在内的优秀科研团队快速推进量子信息研究；另一方面，在卫星量子通信方向上重大突破的迹象出现时，中科院快速决策，得以在国际上率先启动“量子科学实验卫星”项目。

 

2011年，量子科学实验卫星工程在中科院先导计划中正式立项，相关优势研发力量迅速整合：中国科大潘建伟团队负责科学应用系统的研制，并和中科院上海技术物理研究所王建宇团队设计天地一体化实验系统；中科院上海技术物理研究所和中国科大共同负责星上量子通信有效载荷研制；上海微小卫星工程中心负责卫星平台研制；中科院国家空间科学应用中心负责了卫星运行中相关地面支撑任务；中科院国家天文台、光电技术研究所和上海光学精密机械研究所承担负责量子通信地面站建设。

 

把量子“硬币”远距离投入旋转的“储蓄罐”

 

量子科学实验卫星旨在建立卫星与地面远距离量子科学实验平台，并在此平台上完成空间大尺度量子科学实验，以期取得量子力学基础物理研究重大突破和一系列具有国际显示度的科学成果。

 

为何小小量子需要以天地为坐标的大尺度科学实验来研究?　因为尺度小了，根本找不出差别啊！　比如量子纠缠，一对建立了纠缠的量子，就像一对如胶似漆的恋人，之间存在着神奇的“心灵感应”，一个状态变化，另一个也会跟着变化。那这看似完全同步的变化之间，是否有时间差?　在地面的青海湖外场实验基地，潘建伟团队得到的结果是，在所有相对地球以千分之一光速或更低速度运行的惯性参照系中，量子纠缠之间的“心灵感应”速度至少为光速的一万倍。

 

同时，量子卫星实验平台还将使量子通信技术的应用突破距离的限制，向更深的层次发展，促进广域乃至全球范围量子通信的最终实现。同时，该项目将为广域量子通信各种关键技术和器件的持续创新以及工程化问题，提供一流的测试和应用平台，促进空间微弱光探测、星地超高精度光学捕获、跟踪和对准、高精度时间同步、小卫星平台高精度姿态机动、高速单光子探测等技术的发展，形成自主的核心知识产权。

 

量子通信实际上是单光子级别的通信，信号非常微弱又不能被放大。由于光纤的固有损耗，光纤量子通信的距离突破一直很困难。科技部973青年项目首席科学家、中国科技大学教授张强透露，我国点对点光纤远距离量子保密通信距离目前已突破400公里，而此前的世界纪录是300公里。利用中继站，这一距离可以拓展到几千公里。今年年底，我国将建成连接京沪的高可信、可扩展、军民融合的2000公里光纤量子保密通信骨干网———“京沪干线”，建成后将是基于可信中继的世界最长的量子通信干线。

 

不过，这样的效率仍然太低。要达到成千上万公里的传输距离，走向天空或许是一条更好的路径：只要光子能够穿透大气，通过卫星中转，就可以实现远距离的量子通信了。早在2005年，潘建伟就在思考自由空间的量子通信问题，并做了一个原理性实验：在合肥的大蜀山，实现了13公里自由空间的量子通信。而整个竖直大气的等效厚度，就相当于地面附近10公里左右的水平距离———这意味着，光子穿透大气，完全可行。

 

然而，真要把设想变成现实，难度非常大。量子科学实验卫星工程常务副总设计师、卫星总指挥王建宇说，如果把光量子看成一个个1元硬币，星地实验就相当于要从在万米高空飞行的飞机上，不断的把上亿个硬币发射到地面上一个不断旋转的储蓄罐上　(偏振测量的基矢在变化)，我们不但要求这个硬币击中这个储蓄罐　(瞄准精度)，而且要使得硬币能够准确的射入储蓄罐细长的投币口　(偏振保持)，并且硬币要源源不断地进入储蓄罐内。

 

在科学层面，量子科学实验卫星将使我国在国际上首次实现星地量子通信。通过卫星平台的中转实现地球上相距遥远的两个区域之间的量子通信，真正体现量子通信可向广域范围发展的可能性，并将快速推进广域量子通信的实用化率先在我国得以实现，使我国在激烈的国际竞争中抢占主动权，在量子通信技术实用化和产业化整体水平上保持和扩大国际领先地位，实现国家信息安全和信息技术水平的跨越式提升。

 

它还将使我国在国际上首次实现具有空间大尺度的量子纠缠分发和量子隐形传态，在国际上率先开展一系列空间尺度的量子力学基础检验实验，取得一系列具有国际显示度的科学成果和突破，大大推进人类对大尺度范围量子力学规律的认识，带动我国量子物理整体水平的大幅度提升。

 

与此同时，量子科学实验卫星还能整合我国在量子通信技术各方面研究力量和技术优势，形成量子物理学、光学、原子和分子物理学、固体物理学、电子学、空间科学、材料科学、工程学等各学科之间的密切交叉、协调配合和攻关合力，形成各方面成果的快速集成，带动广域量子通信相关各方面整体发展。

 

探路可遍布全球的“无条件安全”通信

 

基于卫星平台的自由空间量子通信各关键技术的攻克和星地量子通信的实现，是量子通信技术走向广域乃至全球范围实用化进程中必须经历的重要步骤和一个重要的里程碑，对于国家在量子通信技术领域占领制高点和国家信息安全的切实保障具有关键的意义，将为我国量子通信产业标准的制定和参与国际标准的制定提供技术支撑、打下坚实的基础。

 

实用化广域量子通信技术的实现和成熟，也将带动我国光器件、电子、通信、密码、网络设备、软件等一系列完整的相关产业链的高速发展，开创多种全新的安全通信应用，催生出全新的应用领域，拉动我国相关领域的科研内需和生产力。

 

我国在量子保密通信技术迈入实用化阶段大门之际，前瞻性地通过建设量子保密通信“京沪干线”，实现目前世界上第一个远距离光纤量子密钥分配和应用网络，完成相关技术验证，在金融、政务、军民融合等应用领域打造基于量子密钥分配的加密通信应用示范。

 

2013年，国家发改委量子保密通信“京沪干线”技术验证及应用示范项目开工建设，项目总投资5.6亿元。项目的总体目标是建成连接北京、上海，贯穿济南、合肥等地的量子保密通信骨干线路；连接各地城域接入网络，打造广域光纤量子通信网络，建成大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范平台；结合中科院量子科学卫星计划中相应的地面量子通信网络建设工作，实现“京沪干线”和量子科学卫星计划的互联，形成星地一体的广域量子通信网络，实现洲际广域量子通信，拓展“京沪干线”的应用能力。

 

“京沪干线”是已知国际上第一次开展广域量子通信的实际验证，建成后将成熟广域量子网络的基础核心技术，发展出完善的广域量子通信网络运行、管理和控制技术，从而在国际上首次实现可运营的广域量子保密通信网络。它涉及到金融、政务和军民融合等对于社会经济发展和国家安全具有重要影响的行业领域，将为今后的量子保密通信在上述领域以及更加重要的核心领域内实现推广应用奠定基础。

 

问答

 

量子、光子和光量子有什么区别吗?

 

量子是构成物质的最基本单元，是光子、质子、中子、电子、介子等基本粒子的统称。其中的光子又被称为光量子。

 

量子有什么特性?

 

量子有很多奇特的特性。比如，和目前只有“0”和“1”两个状态的数字比特相比，量子比特还可以处于这两种状态的相干叠加态。也就是说，一个量子比特可以携带更大量的信息。

 

量子还有一个特性———测不准。这就好比如果从上海到北京有ABC三条路可以走，一个量子就有可能“同时出现在三条路上”。一旦它被测量出在A上，那么，B和C上的分身就会瞬间消失。

 

什么是量子纠缠?

 

量子纠缠是粒子在由两个或两个以上粒子组成的系统中相互影响的现象，虽然它们可以处在分开的空间，但其中一个量子状态的改变，会让其它与之纠缠的量子瞬间同步改变状态。

 

什么是量子隐形传态?

 

量子隐形传态是利用量子纠缠的帮助，将粒子的未知量子态传送到遥远距离，但不用传送粒子本身的技术。这是一种全新的通信方式，待传输的量子态如同经历了科幻小说中描写的“超时空传输”，在一个地方神秘地消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方神秘地出现。

 

量子科学实验卫星的研发设想是如何开始的?

 

量子通信和量子计算研究兴起后，世界各地的物理学家们开始构思可扩展量子信息处理网络的实现。在量子通信领域，当大多数人仍致力于在实验室内部的原理性演示时，中科大潘建伟教授的团队已经开始思考如何能够在太空中实现量子信息传输，并早在2003年就初步构想了量子科学实验卫星计划。

 

从2005年开始，潘建伟团队就开始星地量子通信的地面验证实验，从2008年到2011年，中科大潘建伟团队和中科院上海技物所王建宇团队共同开展星地量子通信关键技术的攻关，并在青海湖开展了一系列地面验证试验，为星地量子通信奠定了坚实的科学与技术基础。此后，我国高强度支持优秀科研团队快速推进量子信息研究的发展。在卫星量子通信方向上重大突破的迹象出现时，中科院快速决策，于2011年在国际上率先启动“量子科学实验卫星”项目。

 

量子科学实验卫星对我国科技发展影响有哪些?

 

量子科学实验卫星的研制与发射，有助于产生新的科学机遇，开拓新的科学前沿,更具备实用的现实作用，对国家信息安全的切实保障具有关键的意义。

 

在科学层面，量子科学实验卫星将使我国在国际上首次实现星地量子通信，真正体现量子通信向广域范围发展的可能性，并将快速推进广域量子通信的实用化，实现国家信息安全和信息技术水平的跨越式提升。

 

它还将使我国在国际上首次实现具有空间大尺度的量子纠缠分发和量子隐形传态，在国际上率先开展一系列空间尺度的量子力学基础检验实验，取得一系列具有国际显示度的科学成果和突破，大大推进人类对大尺度范围量子力学规律的认识，带动我国量子物理整体水平的大幅提升。

 

“量子京沪干线”与量子卫星的关系是什么?

 

“量子京沪干线”是已知国际上第一次开展的广域量子通信的实际验证。通俗地讲，量子密钥分发通过光纤传输，目前点对点的最大传输距离还只有400公里。

 

要实现成千上万公里的信息传递，必须通过值得信任的中继站的帮助，来帮量子完成更长距离的“接力跑”。而量子京沪干线就是要尝试这场“接力跑”如何实际完成，并且让周边更多系统可以参与进来。这条长达2000多公里的量子通信线路，连接北京和上海，贯穿济南、合肥等地，目前已完成1500公里主干光缆线路勘察和改造，预计今年年底将可全线贯通。

 

“京沪干线”面向的是目前的应用，而量子科学实验卫星更多的是对未来全球化量子通信的原理性演示。这两者结合起来，将初步形成天地一体的广域量子通信网络。

 

“量子+”时代要来了吗?

 

随着天地一体化量子通信体系的搭建和逐步完善，为量子手机、量子签章、量子测量仪等应用产品在各行各业的出现提供了无限可能。量子信息将与各行各业融合，让我们迈入“量子+”时代。

 

量子科学实验卫星是中科院空间科学战略性先导科技专项中首批确定的5颗科学实验卫星之一，旨在建立卫星与地面远距离量子科学实验平台，并在此平台上完成空间大尺度量子科学实验。

 

■科学实验：星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络演示、星地双站纠缠分发以及地星隐形传态。

 

■工程任务：发射1颗量子科学实验卫星，在北京兴隆、乌鲁木齐南山、青海德令哈、云南丽江建设4个量子通信地面站，在西藏阿里建设1个空间量子隐形传态实验站。

 

■研制周期：2011年12月至2016年6月

 

■在轨寿命：2年

 

大国布局

 

《自然》　杂志曾经评论说：“在量子通信领域，中国用了不到十年的时间，从一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅。”

 

美国

 

美国国家科学基金会和国防部高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究。

 

欧盟

 

欧盟联合12个成员国发展了基于量子中继和卫星的自　由空间量子通信网络。

 

日本

 

日本计划到2040年建成极限容量、无条件安全的量子通信网络。

 

中国

 

如果我国的量子科学实验卫星发射成功，中国将成为全球第一个实现卫星和地面之间量子通信的国家。