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“这一次,我们站在了最前沿” ——中国量子通信登上世界之巅2018年4月25日 15:32

“这一次,我们站在了最前沿”

——中国量子通信登上世界之巅

 

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世界首颗量子卫星——“墨子号”模型

 

  【“墨子号”声名鹊起,各种大奖纷至沓来】2月27日,“2017年度中国科学十大进展”在京发布,“墨子号”量子科学实验卫星位居榜首;1月10日,中科院院士、中国科学技术大学教授、“墨子号”首席科学家潘建伟在第48届量子电子物理学大会上,获颁兰姆奖(Willis E. Lamb Award);2017年12月19日,潘建伟入选《自然》杂志评选的“2017年度改变世界的十大科学人物”,被称为“让量子通信驰骋于天地之间的物理学家”……

 

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潘建伟领衔的量子科学研究团队

 

  【“沉寂了一千年,中国誓回发明创新之巅”】从100公里、404公里、1200公里到7600公里洲际距离,短短十余年间,潘建伟团队不断取得量子通信在距离和维度上的新突破,一路保持世界领先,赢得了巨大的国际声誉。国内外同行、媒体盛赞“全面领先”“英雄史诗般的实验”“本领域的一个里程碑”。《华尔街日报》则直接打上大标题:“沉寂了一千年,中国誓回发明创新之巅。”这一次,中国科学站到了世界面前,而且是挺直腰杆,站在了最前沿。

  【不被破解的加密技术,是人类的千年梦想】千百年来,人们对于通信安全的追求从未停止。然而,基于计算复杂性的传统加密技术,在原理上存在着被破译的可能性。量子力学100多年的发展特别是量子保密通信的出现,给人类带来另一种可能——不可窃听、不可破译的无条件安全通信方式。

  【神奇的量子】量子保密通信的基础原理是量子态“不可分割”和“不可克隆”的神奇特性。“不可分割”是指,量子是构成物质的最基本单元,能量的最基本携带者。比如量子通信里所用到的光量子,或简称光子,就是光能量的最低单元。因此,当用单光子来加载信息时,窃听者就无法截取“半个光子”来窃取信息。“不可克隆”是指未知的量子态无法被精确复制,一旦窃听者试图对其进行复制,就必然会扰动原本的量子态,从而被通信方察觉。潘建伟打了个比方,古人在信封上用火漆封口,一旦信件被中途拆开,就会留下泄密的痕迹。量子态的作用比火漆更彻底,因为一旦有人试图打开“信件”, “信件”就会自毁,并通知使用者。

 

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量子通信示意图

 

  【无条件安全的保密通信】利用量子态的特性,可以在A和B之间共同生成一串只有他们两边知道的密钥,这一过程被称为“量子密钥分发”。信息通过这串密钥加密后,可以通过经典的网络传输,比如互联网、无线电、电话线等。由于密钥对于外界是完全未知的,加密后的信息就是不可破译的。

 

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  星地量子密钥分发实验,2017年5月拍摄于乌鲁木齐南山。多张照片合成了卫星过境的全貌,背景是恒星的星轨

 

  【卫星助力扩展量子通信的距离】但量子态很“脆弱”,会随着光子在光纤内或地表大气中的传输距离而迅速衰减,以往的实验只停留在“百公里”量级的距离。不过,外太空的真空环境提供了另一片“新天地”,那里的光信号损耗非常小,这就意味着通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信的距离。同时,卫星在信号覆盖上具有独特优势,是目前实现全球超远距离实用化量子保密通信的最现实途径。

 

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2016年8月16日,世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉发射升空

 

  【“墨子号”量子科学实验卫星隆重登场】2016年8月16日1时40分,“墨子号”于酒泉成功发射升空,这是世界上首颗量子科学实验卫星。潘建伟说,有了量子卫星,我们就可以在宏观距离上检验量子力学的非局域性,看看在实验室里不断被重复检验的理论,放在太空中是否还能实现。

 

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墨子雕像。墨子,名翟(dí),春秋末战国初期宋国(今河南商丘)人,墨家学派创始人,有《墨子》一书传世

 

  【为什么起名为墨子号】命名为“墨子号”,缘起于已故著名教育家、中国科学技术大学老教授钱临照。作为老一辈光学、科技史研究者,钱临照教授早年对墨家经典著作《墨经》进行研究的时候发现其中有不少与现代科学知识相通的记载。“墨家逻辑是全球三大古老逻辑体系之一(另两个为古希腊的逻辑体系和印度的因明学),而逻辑体系是科学的基础。”潘建伟说,墨子在两千多年前就发现了光线沿直线传播的原理,并设计了小孔成像实验,是今天光通信、量子通信的理论源头。

 

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地星量子隐形传态实验(2017年4月拍摄于西藏阿里)

 

  【创造多个世界首次,“墨子号”捷报频传】2017 年6月16日,中国“墨子号”量子卫星团队发布了在世界上首次实现千公里级量子纠缠分发的成果,首次在空间尺度验证了量子力学的非定域性。2017 年8月12日,“墨子号”团队又发布了在国际上首次成功实现千公里级的星地量子密钥分发和地星量子隐形传态的两项成果。至此,“墨子号”圆满完成了预定的三大科学实验目标。2017年9月29日,世界首条千公里级量子保密通信干线“京沪干线”正式开通,并与“墨子号”科学实验卫星进行天地链路,我国科学家率先成功实现了中国和奥地利之间距离达7600公里的洲际量子密钥分发,并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。“墨子号”和“京沪干线”标志着天地一体化广域量子通信网络雏形已经形成,未来将进一步推动量子通信技术在金融、政务、国防、电子信息等领域的大规模应用,建立完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统,最终构建基于量子通信安全保障的量子互联网。

 

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2017年9月29日,合肥中科大先研院量子通信京沪干线总控中心使用量子加密视频会议系统与北京会场通话

 

  【国家战略护航】从2005年的时候,国家的重大研究计划已经开始注意到了量子科学。当时在中科院物理所的于渌院士、南京大学的闵乃本院士等建议下,量子科学成为国家重大研究计划的内容,到目前这一计划已经执行了十余年。正是由于国家的重点扶持,我国的量子通信技术才得以快速发展。

  【“如果不是回国,‘墨子号’不可能那么快上天”】“我们国家有着高效的体制,国家会提供最好最有效的保障来推动科技成果的实现,这是西方国家难以比拟的。”差不多同一时期,潘建伟的导师塞林格团队曾联合欧洲多个量子物理优秀团队向欧洲太空局提出基于国际空间站实施星地量子通信的计划。然而,由于欧洲太空局的决策机制,这一计划被一再拖延。塞林格教授因此主动提出,与潘建伟团队开展合作。杜克大学的中国科技政策研究专家 Denis Simon评论说,(潘建伟团队)他们之所以行动如此快速,得益于中国对该项目的充分重视。

 

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部分在轨测试科研人员与过境的“墨子号”合影

 

  【全国十多个优秀科研团队鼎力合作】“我一直觉得,科学家有一种个人英雄主义,可直到做‘墨子号’我才发现,在团队的力量面前,个人太渺小了。”潘建伟说,正是来自全国的十多个优秀科研团队的鼎力合作,才使得“墨子号”成为世界首颗上天的量子科学实验卫星,也使中国在量子通信领域得以领跑世界。“如果没有相互之间的充分信任与配合,如此高难度的工程很难这么快取得成功。”“墨子号”卫星工程常务副总设计师兼卫星总指挥王建宇说。

 

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“‘砥砺奋进的五年’大型成就展”在北京展览馆举办期间,观众在世界首颗量子卫星——墨子号模型处参观

 

  【“中国人在国内也可以做很好的‘科学’”】“如果说当年杨振宁先生和李政道先生证明,中国人在国外可以做很好的‘科学’,那么我们现在证明了,中国人在国内也可以做很好的‘科学’。”潘建伟说,以往有一种误区,认为中国人也许不适合来做科学,“墨子号”这个名字和它取得的成果,充分证明了不论古人还是今人,只要给我们一个好的时代,中国人就一定可以领跑世界。

  【几十年如一日的甘于寂寞、踏实肯干】除了科学精神、科学兴趣,甘于寂寞、踏实肯干的科研作风也是科学家们取得成果的重要保证。许多人并不知道,每当繁华城市陷入沉睡的时候,这群科学家们常常还在伏案工作,大脑仍在高速运转。“我们没有工作日和周末之分。”中科大教授、潘建伟教授团队成员陈宇翱笑言。

 

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潘建伟带领科研人员攻关

 

  【创新永无止境,容不得半点懈怠】尽管目前取得了举世瞩目的成就,不过,潘建伟团队仍保持着“严重的危机感”。潘建伟说,没做成的时候有很多怀疑,现在花了这么多时间做成了,国际上都纷纷表示要“尽可能赶上”。正如一位美国同行所说,虽然第一艘宇航飞船和第一个人造卫星都是苏联做出来的,但登月,美国却是第一个。他们觉得只要努力,就可以在量子领域赶超中国。“所以,我们不敢懈怠。”潘建伟说。

  【朝着下一个梦想进发】谈及未来,潘建伟团队希望建立起多颗卫星构成的网络,将卫星作为可信中继,实现地球上任意两点的密钥共享,将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。当然他们的雄心壮志不止于此,还有更远大的梦想:在地月间建立30万公里的量子纠缠,检验量子物理的理论基础,并探索引力与时空的结构。

 

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2018年3月,全国两会期间,全国政协委员潘建伟在“委员通道”接受中外媒体记者的采访

 

  【相信美好期盼终会实现】“期盼在我有生之年,能亲眼看见以量子计算为终端、以量子通信为安全保障的量子互联网的诞生。”潘建伟说:“我相信中国科学家们做得到。”(兰琳宗 郭力萌)

来源: 中央纪委国家监委网站