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从32cm到4600km 我国构建的量子通信网怎么这么牛!

2021-01-08 14:18:17 来源:央视
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中国科学技术大学7日宣布

中国科研团队成功实现了

跨越4600公里的

星地量子密钥分发

标志着我国已构建出

天地一体化广域量子通信网雏形

29年前

人类历史上首次量子通信

在实验室诞生时

传输距离是32厘米

△图片来源:中国科学技术大学

那么

什么是量子

量子通信网有多牛

这张网对我们的生活有何影响

我国量子通信技术攻克了哪些难关

量子是物理量的最小单元

既有绝技又有怪辟

量子就是质量、能量等各种物理量的最小单元,它以某种粒子状态存在。比如光其实是以光子为单位一份一份变化的,一个光子就是一个量子。

量子不可分割、不可克隆。科学家利用这些特性,可以制做出最安全的保密钥匙,从而让信息传输变得更加安全。

量子通信:给数据加上牢不可破的锁

中国科学家们构建的量子通信网络,就是给传统通信方式加上量子密钥。

现有的密码体系是通过增加计算复杂性来保证安全的。以目前世界上最快的计算机之一——我国“天河二号”为例,以其运算速度分解一个300位的数字需要15万年,而如果用量子叠加并行计算,1秒钟就可以计算出来。

△量子通信网络加密通信的流程示意图

量子密钥由于作为信息载体的单光子不可分割、量子状态不可克隆,进而能保证用其加密的内容不可破译。量子密钥分发是迄今为止唯一被严格证明是原理上无条件安全的通信方式。

可以毫不夸张地说,在未来没有量子通信的国家,其信息安全在别国看起来就等同于透明。

量子通信已在我国多领域应用

经过20多年努力,中国在量子通信领域实现了从跟跑到领跑的重大转变。

2016年,中国成功发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”;2017年9月,世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通。

量子保密通信“京沪干线”总长超过2000公里,覆盖四省三市共32个节点,包括北京、济南、合肥和上海4个量子城域网,通过两个卫星地面站与“墨子号”相连,总距离4600公里。

目前,量子通信技术已经在我国获得应用。其中,量子保密通信技术已经为纪念抗战胜利70周年阅兵、十九大等国家重要会议和活动提供了信息安全保障。此外银行业监管信息报送、人民币跨境收付信息管理系统、网上银行数据异地灾备系统等都应用了量子保密通信技术。未来,量子通信在金融、政务、国防、电子信息等领域可进一步广泛应用。

爬坡过坎

一个个技术难关被攻破

△量子通信卫星与地面站实验示意图(图源:中国科学技术大学)

中国量子通信团队取得的成果举世瞩目,在这当中他们遭遇了怎样的技术难关?

难关一:单个光子制备

在量子通信技术的研发过程中,首先要面对的是制备单个光量子的技术难题。中科院院士、中国科技大学常务副校长潘建伟举了一个非常形象的例子,来解释这一关键技术的难度:一个普通的15瓦左右的灯泡每秒钟辐射出的光量子个数可达十万亿亿个,想要实现单个光量子的制备就如同在这十万亿亿个光量子发射出来的瞬间捕捉到其中的某一个。

难关二:单光子的探测

单个光子已经是光能量的最小单元,能量是非常微弱的,需要发展出非常精密和高效的单光子探测技术。具备了单个光量子的制备和探测能力后,才能够实现安全的量子通信。

△2016年11月26日拍摄的“墨子号”量子科学实验卫星与兴隆量子通信地面站建立天地链路。

难关三:星地通信好比万米高空投硬币

“墨子号”卫星常务副总设计师王建宇举例说,“要从1000千米的高度把一个个光子发射到地面站,就好比在万米高空高速飞行的飞机上,同时向地面两个旋转的投币口细长的储蓄罐扔进一个个硬币。储蓄罐的投币口是细长的,相当于光的偏振,它是有方向的,硬币要把方向对好才能扔进去,而且不是扔一个,要两边同时都扔准才行。”

难关四:地面探测难度远超千里眼

根据计算,一根火柴划一下大概有1017个光子,而卫星地面站的探测能力,相当于在地球上的人要发现在月亮上有人划了一根火柴。此外,还要在每秒一亿个光子里面,搞明白地面探测到的是第几个光子,这些光子都是排好队的,探测一个就要知道它是第几个,这样才能用来做密钥。

目前,广域量子通信网络的雏形已基本形成。骨干网的扩展,将形成更复杂的拓扑结构,并在基础上构建国家地基授时网络,为定位、导航和授时服务提供保障。另一方面,地面网络与量子卫星结合,为超大尺度量子干涉的相关实验提供了有利基础,如探索量子力学与广义相对论融合等问题,为量子引力的基础检验和用于计量应用的大规模干涉测量提供了可能。

(来源:央视)

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