從32cm到4600km 中國構(gòu)建的量子通信網(wǎng)怎么這么牛！

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)7日宣布

 

中國科研團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了

 

跨越4600公里的

 

星地量子密鑰分發(fā)

 

標(biāo)志著中國已構(gòu)建出

 

天地一體化廣域量子通信網(wǎng)雛形

 

29年前

 

人類歷史上首次量子通信

 

在實(shí)驗(yàn)室誕生時(shí)

 

傳輸距離是32厘米

 

 

△ 圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

 

那么

 

什么是量子

 

量子通信網(wǎng)有多牛

 

這張網(wǎng)對我們的生活有何影響

 

中國量子通信技術(shù)攻克了哪些難關(guān)

 

 

量子是物理量的最小單元

 

既有絕技又有怪辟

 

量子就是質(zhì)量、能量等各種物理量的最小單元，它以某種粒子狀態(tài)存在。比如光其實(shí)是以光子為單位一份一份變化的，一個(gè)光子就是一個(gè)量子。

 

 

量子不可分割、不可克隆?？茖W(xué)家利用這些特性，可以制做出最安全的保密鑰匙，從而讓信息傳輸變得更加安全。

 

量子通信：給數(shù)據(jù)加上牢不可破的鎖

 

中國科學(xué)家們構(gòu)建的量子通信網(wǎng)絡(luò)，就是給傳統(tǒng)通信方式加上量子密鑰。

 

現(xiàn)有的密碼體系是通過增加計(jì)算復(fù)雜性來保證安全的。以目前世界上最快的計(jì)算機(jī)之一——我國“天河二號”為例，以其運(yùn)算速度分解一個(gè)300位的數(shù)字需要15萬年，而如果用量子疊加并行計(jì)算，1秒鐘就可以計(jì)算出來。

 

 

△量子通信網(wǎng)絡(luò)加密通信的流程示意圖

 

量子密鑰由于作為信息載體的單光子不可分割、量子狀態(tài)不可克隆，進(jìn)而能保證用其加密的內(nèi)容不可破譯。量子密鑰分發(fā)是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明是原理上無條件安全的通信方式。

 

可以毫不夸張地說，在未來沒有量子通信的國家，其信息安全在別國看起來就等同于透明。

 

量子通信已在中國多領(lǐng)域應(yīng)用

 

經(jīng)過20多年努力，中國在量子通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從跟跑到領(lǐng)跑的重大轉(zhuǎn)變。

 

 

2016年，中國成功發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”；2017年9月，世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通。

 

量子保密通信“京滬干線”總長超過2000公里，覆蓋四省三市共32個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括北京、濟(jì)南、合肥和上海4個(gè)量子城域網(wǎng)，通過兩個(gè)衛(wèi)星地面站與“墨子號”相連，總距離4600公里。

 

 

目前，量子通信技術(shù)已經(jīng)在我國獲得應(yīng)用。其中，量子保密通信技術(shù)已經(jīng)為紀(jì)念抗戰(zhàn)勝利70周年閱兵、十九大等國家重要會議和活動提供了信息安全保障。此外銀行業(yè)監(jiān)管信息報(bào)送、人民幣跨境收付信息管理系統(tǒng)、網(wǎng)上銀行數(shù)據(jù)異地災(zāi)備系統(tǒng)等都應(yīng)用了量子保密通信技術(shù)。未來，量子通信在金融、政務(wù)、國防、電子信息等領(lǐng)域可進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。

 

爬坡過坎 

 

一個(gè)個(gè)技術(shù)難關(guān)被攻破

 

 

△ 量子通信衛(wèi)星與地面站實(shí)驗(yàn)示意圖（圖源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

 

中國量子通信團(tuán)隊(duì)取得的成果舉世矚目，在這當(dāng)中他們遭遇了怎樣的技術(shù)難關(guān)？

 

難關(guān)一：單個(gè)光子制備

 

在量子通信技術(shù)的研發(fā)過程中，首先要面對的是制備單個(gè)光量子的技術(shù)難題。中科院院士、中國科技大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉舉了一個(gè)非常形象的例子，來解釋這一關(guān)鍵技術(shù)的難度：一個(gè)普通的15瓦左右的燈泡每秒鐘輻射出的光量子個(gè)數(shù)可達(dá)十萬億億個(gè)，想要實(shí)現(xiàn)單個(gè)光量子的制備就如同在這十萬億億個(gè)光量子發(fā)射出來的瞬間捕捉到其中的某一個(gè)。

 

難關(guān)二：單光子的探測

 

單個(gè)光子已經(jīng)是光能量的最小單元，能量是非常微弱的，需要發(fā)展出非常精密和高效的單光子探測技術(shù)。具備了單個(gè)光量子的制備和探測能力后，才能夠?qū)崿F(xiàn)安全的量子通信。

 

 

△ 2016年11月26日拍攝的“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星與興隆量子通信地面站建立天地鏈路。

 

難關(guān)三：星地通信好比萬米高空投硬幣

 

“墨子號”衛(wèi)星常務(wù)副總設(shè)計(jì)師王建宇舉例說，“要從1000千米的高度把一個(gè)個(gè)光子發(fā)射到地面站，就好比在萬米高空高速飛行的飛機(jī)上，同時(shí)向地面兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的投幣口細(xì)長的儲蓄罐扔進(jìn)一個(gè)個(gè)硬幣。儲蓄罐的投幣口是細(xì)長的，相當(dāng)于光的偏振，它是有方向的，硬幣要把方向?qū)貌拍苋舆M(jìn)去，而且不是扔一個(gè)，要兩邊同時(shí)都扔準(zhǔn)才行。”

 

難關(guān)四：地面探測難度遠(yuǎn)超千里眼

 

根據(jù)計(jì)算，一根火柴劃一下大概有1017個(gè)光子，而衛(wèi)星地面站的探測能力，相當(dāng)于在地球上的人要發(fā)現(xiàn)在月亮上有人劃了一根火柴。此外，還要在每秒一億個(gè)光子里面，搞明白地面探測到的是第幾個(gè)光子，這些光子都是排好隊(duì)的，探測一個(gè)就要知道它是第幾個(gè)，這樣才能用來做密鑰。

 

 

目前，廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形已基本形成。骨干網(wǎng)的擴(kuò)展，將形成更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在基礎(chǔ)上構(gòu)建國家地基授時(shí)網(wǎng)絡(luò)，為定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)提供保障。另一方面，地面網(wǎng)絡(luò)與量子衛(wèi)星結(jié)合，為超大尺度量子干涉的相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供了有利基礎(chǔ)，如探索量子力學(xué)與廣義相對論融合等問題，為量子引力的基礎(chǔ)檢驗(yàn)和用于計(jì)量應(yīng)用的大規(guī)模干涉測量提供了可能。