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牢牢占据空间量子科研主导引领地位


时间:2022-07-14  来源:  作者:  点击次数:


本报记者吴长锋

7月13日,记者从中国科学技术大学获悉,日前,由于在远距离量子通信尤其是墨子号量子卫星方面的一系列开创性工作,潘建伟及其同事彭承志、陆朝阳、曹源受邀在《现代物理评论》发表了题为《基于墨子号卫星的空间量子实验》的长篇总结论文。

103010是国际物理领域最权威的综合性期刊,每年只发表40篇左右的学术论文。总的来说,本刊不接受免费投稿,主要邀请在各个领域有重大成就的物理学家撰写,旨在总结历史,阐述原理,分析现状,预测当今物理学研究中重大热点问题的趋势。

这篇46页的综述论文全面介绍了近20年来国际空间量子科学研究的成果,重点介绍了墨子量子科学实验卫星前期的关键技术,包括卫星系统和科学应用系统在内的6颗量子科学实验卫星的建造和研制,以及卫星入轨后的系统化科研成果,为国际学术界提供了有价值的信息。

本文系统阐述和总结了量子信息论的基本概念,早期的量子通信和量子信息相关原理实验,针对卫星的地基大规模验证实验,以及墨子卫星从建立、研制、在轨运行到最终在国际上建成的一系列星地量子科学实验。同时,这篇综述论文还对国际空间量子科学的研究进展进行了梳理。

中国的空间量子科学研究走在世界前列。

量子通信基于量子物理的基本原理,克服了经典加密技术固有的安全隐患。它是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式,可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。量子通信通常使用单光子作为物理载体,最直接的传输方式是光纤或地面附近的自由空间信道。

由于外太空几乎是真空,光信号的吸收损耗几乎为零,在卫星的辅助下可以大大延长量子通信距离。进入21世纪以来,这一方向成为国际学术界激烈竞争的焦点。

潘建伟团队开展了一系列开创性的实验研究,实现了卫星与地球之间的量子通信。2003年,团队提出了实现卫星间量子通信,构建覆盖全球的量子保密通信网络的方案。随后在2004年,国际上首次实现了水平距离13km(大于大气垂直厚度)的自由空间双向量子纠缠分布,验证了通过大气进行量子通信的可行性。2011年底,中科院战略先导科技项目“量子科学实验卫星”正式立项。2012年,潘建伟领导的中科院联合研究团队在青海湖首次实现了百公里双向量子纠缠分发和量子隐形传态,充分验证了卫星量子通信的可行性。2013年,中科院联合研究团队在青海湖实现了量子密钥分发实验,模拟了卫星与地球的相对运动以及星地链路的巨大损耗,全方位验证了卫星到地球量子密钥分发的可行性。随后,团队经过艰苦攻关,克服各种困难,成功研制出“墨子号”量子科学实验卫星。

“墨子号”卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射。经过4个月的在轨测试,于2017年1月18日正式交付进行科学实验。

潘建伟团队利用墨子量子卫星在国际上率先完成了一系列开创性的星地量子科学实验:星地量子密钥分发、北京到维也纳的洲际量子密钥分发、无可信中继的基于纠缠的量子密钥分发,以及京沪量子保密通信干线与墨子量子卫星进一步成功对接,验证了星地广域量子通信的可行性;完成了量子隐形传态的首次隐形传输和地与地之间的量子态远程传输,证明了在距离地球数千公里的地方就可以完成量子比特的传输,为全球量子信息处理网络奠定了基础.

这些空间量子科学的实验成果,使我国首次在空间量子科学研究领域走在了世界前列,牢牢占据了空间量子科学研究领域的领先和引领地位。

引发了国际空间量子科学研究热潮。

“墨子号”的成功激发了国际空间量子科学的研究热潮。接着,美国、欧盟、日本等各种国际力量开始探索自己的广域量子通信之路,提出或加速了一系列空间量子科学布局。

2021年6月,美国、英国、日本、加拿大、意大利、比利时、奥地利七国甚至在G7峰会上达成合作。他们首次计划联合开发基于卫星的量子加密网络3354“联邦量子系统”(FQS),该网络可以利用量子技术的突破来防止日益复杂的网络攻击。

文章最后展望了未来空间量子科学的主要发展方向,提出空间量子科学的研究必将从低轨道平台跨越到中高轨道平台,甚至深空平台。在此基础上,利用中高轨道卫星平台覆盖范围广、实验时间长、微重力环境好等优势,将空间量子通信技术与

时交叉应用于远距离高精度时频传递和空间超冷原子物理等领域,在量子精密测量、量子物理与广义相对论融合等基础科学问题方面获得更丰富的科学产出。

    据了解,该论文是潘建伟团队在该期刊上继2012年的“多光子纠缠和干涉度量学”以及2020年的“基于现实器件的安全量子密钥分发”之后的第3篇综述论文。


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