這項研究中國「全面領先」——量子科技制高點已搶佔？

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距離全球第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」發射升空，馬上就要滿一整年了，8月10日，這顆衛星的首席科學家、中國科學技術大學潘建偉院士領導的中科院聯合研究團隊向外界又拋出了一項重大成果——「墨子號」在國際上第一次成功實現了「千公里級」的星地雙向量子通信。

《自然》（Nature）雜誌的物理科學主編卡爾?齊姆勒斯感慨「這是十分令人激動的消息（very exciting stuff）」，並給出評價：「以前人們會說量子技術的極限在天邊，但這說法其實有些保守了」，潘建偉團隊這些實驗中，量子技術就已經突破「天空的限制（gone beyond the sky）」，並將應用型量子通信技術方面的研究提升到如此的「天文高度（astronomical height）」。

一個多月前，潘建偉團隊在國際上率先實現「千公里級」的星地雙向量子糾纏分發，並將成果發表在6月16日《科學》雜誌上，這完成了「墨子號」一項科學任務即「星地雙向量子糾纏分發」；

如今則將另外兩項任務一併完成：高速星地量子密鑰分發和地星量子隱形傳態，相關成果已在線發表在8月10日的《自然》雜誌上。

至此，屬於中國的「墨子號」量子衛星，已提前完成預先設定的三大科學目標。在8月4日的媒體見面會上，中國科學院院長白春禮院士對包括中國青年報?中青在線等媒體表示，「（『墨子號』量子衛星）系列成果贏得了巨大國際聲譽，標誌著我國在量子通信領域的研究在國際上達到『全面領先』的優勢地位。」

星地量子密鑰實驗：

通信速率比傳統技術提升萬億億倍

與經典通信不同，量子密鑰分發通過量子態的傳輸，在遙遠兩地的用戶，可共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密——這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。

這其中一個重要的研究內容，就是量子密鑰分發。

所謂密鑰分發實驗，要以量子力學一些「原理」的成立為提前。比如，「量子不可克隆定理、量子不可分割」，使得「存在竊聽必然被發現」，而量子的「一次一密，完全隨機」，又讓「加密內容不可破譯」成為現實。

卡爾?齊姆勒斯也提到，量子密鑰是保障通信極高保密性的關鍵。他說，「在沒有密鑰的情況下，是無法讀到這些通信的，如果有他人竊聽了你的密鑰，量子力學的原理保證了你一定會知道，從而你通信的安全性又上了一層樓。」

原理上無條件安全的通信方式

如今，這種量子密鑰分發的設想，在更遠的距離即千公里級完成了實驗。

具體來看，量子密鑰分發實驗採用衛星發射量子信號，地面接收的方式，「墨子號」量子衛星過境時，與河北興隆地面光學站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。

2017年5月拍攝於河北興隆

根據「墨子號」實驗結果，在1200公里通信距離上，衛星上量子誘騙態光源平均每秒發送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300kbit的安全密鑰，平均成碼率可達1.1kbps。

這些數據背後有一個對比結果，即「星地量子密鑰」的傳輸效率，比傳統的技術——也就是同等距離地面光纖信道，要高出20個數量級，即提升萬億億倍。

《自然》雜誌的審稿人稱讚星地量子密鑰分發成果是 「令人欽佩的成就（impressive achievement）」和「本領域的一個里程碑（it constitutes a milestone in the field）」，並稱「毫無疑問將引起量子信息、空間科學等領域的科學家和普通大眾的高度興趣，並導致公眾媒體極為廣泛的報道」。

量子隱形傳態實驗：

傳統光纖重複該工作需要3800億年

《自然》雜誌8月10日發表的另一篇潘建偉團隊文章，則是關於量子隱形傳態，它利用量子糾纏，可以將物質的未知量子態，精確傳送到遙遠地點，而物體本身卻不需要移動。

在卡爾?齊姆勒斯看來，這是量子力學中「最著名卻神秘莫測」的方面。他說，在這個實驗中，潘建偉團隊展示了如何用處於糾纏態的光子，來實現這一點。

具體來看，「墨子號」量子衛星過境時，與海拔5100m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產生8000個「量子隱形傳態事例」，地面向衛星發射糾纏光子，實驗通信距離從500公里到1400公里，所有6個待傳送態，均以大於99.7%的置信度超越經典極限。

按照潘建偉的說法，假設在同樣長度的光纖中重複這一工作，需要3800億年——也就是宇宙年齡的20倍，才能觀測到1個事例。

《自然》雜誌審稿人稱，「這些結果代表了遠距離量子通信持續探索中的重大突破」, 「這個目標非常新穎並極具挑戰性，它代表了量子通信方案現實實現中的重大進步」。

在6月16日，中國率先實現「千公里級」星地雙向量子糾纏分發時，潘建偉就提到的，沒做成（這項實驗）時，外界有很多懷疑，如今花費這麼多時間做成了，國際上都紛紛表示要「儘可能趕上」。

正如一位美國同行所說，雖然第一艘宇航飛船和第一個人造衛星都是蘇聯做出來的，但登月，美國卻是第一個。他們覺得只要努力，就可以在量子領域趕超中國。潘建偉說，「所以，我們不敢懈怠。」

如今，在「墨子號」量子衛星預定科學任務全部完成之時，白春禮又說了同樣意思的一番話：「創新永無止境，也容不得半點懈怠，不進則退、慢進也是退。」

他說，目前，我們在量子通信研究領域保持著領跑優勢，但競爭日趨激烈。美國已經發布了新的量子科研計劃，歐盟、日本也在加緊研究，在新一輪的科研比拼中，我們面臨的形勢之嚴峻和壓力之大，都將超過以往。

來源：來點科學作者：邱晨輝

圖片來源：中國科學院

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