一步千里世界跨越 中国量子通信领跑世界

　　6月15日电(记者林小春 黄堃)从百公里到千公里,中国“墨子号”量子卫星将量子纠缠分发的世界纪录提高了一个数量级。

　　15日发布的美国《科学》杂志封面上,“墨子号”从星空向地面发出两道光,宛如两条长腿跨出一大步,也象征量子通信向实用迈近一大步。杂志刊发了中国科学技术大学教授、量子卫星项目首席科学家潘建伟等人的论文。

一步千里世界跨越

　　量子纠缠是奇特的量子力学现象。通俗地说,两个处于纠缠状态的量子就像有“心灵感应”,无论相隔多远,一个量子状态变化,另一个也会改变。爱因斯坦称之为“鬼魅般的远距作用”。

　　量子纠缠分发,就是将一对有“感应”的量子分置于两地。这尤其适用于保密通信,在此基础上的量子通信技术被誉为信息安全“终极武器”。

　　潘建伟对新华社记者说:“这项工作为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究,以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。”

　　《科学》杂志在一份简介中将这项中国科学家独立完成的工作称为“一项里程碑式的研究”。论文审稿人认为,这一成果是“兼具潜在实际应用和基础科研重要性的重大技术成就”、“毫无疑问将在学术界和广大社会公众中产生非常巨大的影响”。

　　这篇题为《基于卫星的纠缠分发距离超过1200公里》的论文说,通过“墨子号”向地面发射光子,每对处于纠缠状态的光子中的一个发向青海德令哈站,另一个发向云南丽江站,两个地面站之间的距离达到1203公里。这是世界上首次实现千公里量级的量子纠缠。

　　“墨子号”科学应用系统总设计师彭承志说:“这是量子卫星上天以来迄今为止发布的最大成果。”

　　要让量子通信实用化,需要实现量子纠缠的远距离分发。但量子地面传输无论通过光纤或大气都有较大信号损耗,此前国内外地面实验的分发距离一直停留在百公里量级。

　　解决这个问题的一个有效办法就是利用卫星向地面分发。作为世界首颗量子科学实验卫星,“墨子号”星地纠缠分发的传输衰减仅是同样距离地面衰减的万亿分之一。但这种方式对精度要求极高,好比从万米高空飞机上扔下一连串硬币,在地面用存钱罐接住。

　　“这项工作是纠缠分发技术的一个真正突破,”美国麻省理工学院凯克极限量子信息理论中心主任塞思·劳埃德告诉新华社记者,“这项实验表明远距离量子通信确实在技术上可行,让人们看到了在不久的未来构建远程量子通信的希望。”

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　　从一小块芯片到墨子号卫星:让中国量子通信领跑世界

　　周期极化铌酸锂波导、上转换单光子探测器、量子多普勒激光雷达……普通人听到这些名词,恐怕连念都念不顺溜,更别说弄懂它们有什么用了。但对于济南量子技术研究院院长助理周飞来说,这些都是平日里最“亲密”的工作对象。

　　初次见到周飞,很少有人能猜到他是个研究量子学的“科技咖”。他健谈,幽默,穿上实验室的白大褂,就像个还没走出校园的博士生。千万别小看了这个80后“大男孩”,他的经历可不一般。还记得我国去年成功发射的“墨子”号量子通信卫星吗?周飞曾经参与过量子通信科学试验卫星的预研,他的老师潘建伟院士,便是量子卫星的科研团队带头人。

　　对于普通人来说,量子通信算是个新概念。周飞给大众网记者科普,所谓量子通信,就是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式。其最大的特点,就是能传输特殊的“量子通信密码”,基于这种密码进行的信息传递,可以达到无条件“绝对安全”的级别。简单来说,假如把量子通信技术应用到银行等金融机构,密码被盗、银行卡被盗刷、手机支付被黑等情况就几乎不会出现了。

　　不过,周飞的主要工作并不是研发“墨子”号量子卫星,而是量子通信所需的关键器件——周期极化铌酸锂波导的研发。2012年,周期极化铌酸锂波导研制实验室在济南量子研究院筹建,周飞作为重要的引进人才来到这里,一干就是5年,和同事们一起贡献了多项科研成果。

　　“我们这里的周期极化铌酸锂波导实验室是国内第一家,可以进行波导的研发和定制,是量子通信中非常关键的核心器件。”提到这种“神奇”的波导,周飞滔滔不绝地讲解起来。周期极化铌酸锂波导,其实就是一种高性能频率转换器件。比如,“墨子号”量子卫星在星地之间进行单光子传输的时候,它的光打到地球表面是非常微弱的。科学家们需要一种特殊的高效探测器,才能探测到这些微弱的光。周飞和同事们研发的周期极化铌酸锂波导芯片,正是高效探测设备的核心关键器件,有了它,才能更清晰地“读懂”量子卫星说了些啥。

　　神奇的波导芯片不仅能“读懂”量子卫星传回的信号,在经典通信、大气探测、生物医疗等领域也能大显身手。周飞给大众网记者举了个例子,生活中常见的通信光缆,一旦光缆某处出现断点,就会影响通信传输。但是,通信光缆动辄长达数百公里,为了找到断点的位置,经常要花费很多时间。有了这种波导芯片,就能迅速精确定位断点的位置,大大减少因为通信中断而带来的巨大损失。

　　“再比如对付让人头痛的雾霾天,这种波导芯片也能发挥作用。”周飞说,大气污染严重的天气里,空气里漂浮着各种污染物,要对它们进行准确的识别和监控可不是件容易事。利用这种波导芯片,可以研制出高性能、超灵敏的光子激光雷达,精确探测PM2.5等污染物的排放、大气能见度等等,为环保和气象部门提供更加精准、有效的数据。大众网记者了解到,不久前举行的日内瓦国际发明展上,一种基于上转换单光子探测器研发的量子多普勒激光雷达荣获特别金奖,它就是周飞他们这个实验室的重要研究成果之一。

　　除了量子关键器件研发,周飞负责的大规模城域量子通信网络建设,已经建成了目前世界最大规模的实用量子网络——济南量子通信试验网。到去年底,济南有28家单位通过济南量子通信实验网内量子通信集控站和终端,在政务、金融、政法、科研、教育等五大领域的业务中,实现了数据的安全传输。有分析人士指出,随着量子通信网络的不断升级,量子通信的应用领域将从目前的金融、政务、军事等客户推广到个人生活,到2030年,量子通信市场有望达到千亿元水平。

　　“我们研发的波导芯片,不仅在世界范围内处于领先地位,而且是具有自主知识产权的。”周飞郑重而自豪地告诉大众网记者,几年来,团队的科研成果在特殊单位通信、大型安保活动中都发挥了重要作用。他说,自己最大的愿望,就是目前从事的量子通信科研工作能为国家信息安全事业尽一份力,使我国在世界通信领域从“跟随者、模仿者”转变为“带头人、领跑者”。