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「墨子號」驚豔世界 國際上首次千公里級量子糾纏分發

時間:2017-06-17 19:45 來源:新華社 作者:轉載

  在中科院空間科學戰略性先導科技專項的支持下,在軌運行10個月的世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」,近期在空間量子物理研究方面取得重大突破,在國際上率先實現千公里級的星地雙向量子糾纏分發,將量子糾纏分發的世界紀錄提高了一個數量級。這一突破在6月16日的《科學》雜誌上以封面論文的形式發表。

  量子傳輸衰減僅地面的萬億分之一

  量子糾纏是指兩個或多個粒子共同組成的量子狀態,無論粒子之間相距多遠,測量其中一個粒子必然影響其他粒子,就像有「心靈感應」。愛因斯坦稱這種現象為「鬼魅般的超距作用」。

  中國科學技術大學教授潘建偉解釋,量子糾纏非常脆弱,會隨著光子在光纖內或地表大氣中的傳輸距離而衰減,以往的量子糾纏分發實驗只停留在百公里的距離。以往由於沒有量子衛星,國內外量子通信地面實驗傳輸距離一直停留在一百公里量級。因為量子地面傳輸無論通過光纖或大氣都有較大信號損耗。

  當「墨子號」過境時,它同時與青海德令哈站和雲南麗江站兩個地面站建立光鏈路,量子糾纏光子對從衛星到兩個地面站的總距離平均達2000公里,並以每秒1對的速度在地面相距超過1200公里的兩個站之間建立量子糾纏。

  實驗證明,「墨子號」量子糾纏的傳輸衰減程度僅是同樣長度最低損耗地面光纖的一萬億分之一。傳輸效率大大提升,分發1對光子從需要3萬年提高到1秒。

  量子通信安全歷史性突破

  從百公里級到千公里級,中國量子衛星的成就,讓量子通信向實用化邁進了一大步,並從技術上驗證了構建全球量子通信網絡的可行性,同時為開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的實驗檢驗奠定了可靠的技術基礎。未來,利用衛星的中轉,甚至可以實現地面上相距數千公里甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信。

  本次實驗成果,也是量子通信向信息安全「終極武器」方向邁出的歷史性步伐。在量子保密通信中,由於量子的不可分割、不可克隆和測不準的特性,所以一旦存在竊聽就必然會被發送者察覺並規避。

  正如潘建偉所說,如果說地面量子通信構建了一張連接每個城市、每個信息傳輸點的「網」,那麼量子科學實驗衛星就像一杆將這張網射向太空的「標槍」。當這張縱橫寰宇的量子通信「天地網」織就,海量信息將在其中來去如影,並且「無條件」安全。最前沿的科學在初期看上去都像魔法。電磁波、極光、晶體管、核磁共振等許多一開始看似枯燥無味或高深難懂的基礎研究和實驗,卻催生了後來不少改變社會的重大發明。昨日公布的科研成果震動國內外,《科學》雜誌審稿人斷言:「絕對毫無疑問將在學術界和廣大的社會公眾中產生非常巨大的影響」。

  下一步,潘建偉團隊希望發射更強力的衛星,在白天實現遠距離量子糾纏分發。此外,該團隊還計劃在中國和奧地利之間實現洲際量子密鑰分發,「在北京和維也納之間進行量子加密視頻通話」。

  科學家希冀研究成果早日得到應用,「在『十三五』末至『十四五』初實現真正滿足保密需求的型號,再用10年時間走向千家萬戶。」潘建偉說。

        特稿

  天時人和地利 助科研騰飛

  中國量子衛星實現量子糾纏太空分發「一步千里」的世界跨越;上個月,南海可燃冰試采成功奏響「冰與火之歌」;去年,500米口徑球面射電望遠鏡成為中國「天眼」……這些世界紀錄讓中國自主創新的進度條一次次被刷新。

  為什麼近代科學舞台上,後來者中國如今能屢創佳績?國內外專家的觀點可以歸納為天時、人和、地利。

  國際著名科技出版機構「施普林格·自然集團」大中華區總裁安諾傑說:「中國的一個成功因素是將資金、資源和人才投入科研時一直有明確目標,並有長期計劃。」過去20年,中國研發投入每年都有兩位數的增長。

  人是科研中至關重要的因素,中國科研屢創紀錄離不開科研隊伍的成長和奉獻。中國科學技術大學教授潘建偉的回國,推動了中國量子通信事業的發展;國際上首次觀測到量子反常霍爾效應的清華大學教授薛其坤曾留學日本;領導發現新的中微子震蕩模式的中國科學院高能物理研究所所長王貽芳曾在歐洲和美國工作。

  安諾傑特別強調:「中國政府在過去20多年,大力擴大科研人員數量,這包括推出了『千人計劃』等各項措施,成功地將『人才外流』轉變為了『人才流入』。」

  在國家重視和人才回流之外,中國科技的許多突破還得益於一個人們較少探討的優勢,那就是擁有遼闊的國土,使得許多科學實驗能有合適的實施地點。在貴州平塘縣建設的「天眼」就是一個典型例子,因為那里有得天獨厚的喀斯特地貌大窩凶窪地,並且少有電磁波汙染,這一獨特條件讓它迎來了世界最大的500米口徑球面射電望遠鏡。

(責任編輯:轉載)

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