量子通信的未來征途：夢想還是現(xiàn)實？

與非網(wǎng) 9 月 11 日訊，昨日，中國科學院與德國國立科學院聯(lián)合舉辦了第一屆雙邊研討會。會上，中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉進行了題為“夢想還是現(xiàn)實？量子通信的過去、現(xiàn)在與未來”的報告。

對信息的安全傳輸是數(shù)千年來人類一直追求的夢想。理論上，所有依賴于計算復雜度的經(jīng)典加密方法原理上都可以被破解，因此在歷史發(fā)展中，經(jīng)典密碼學的每一次進步都被破解技術的進步所擊敗。那么人類能否發(fā)明一種密碼工具來確保信息傳輸?shù)陌踩裕烤唧w而言，該如何在相距遙遠的兩地實現(xiàn)安全的密鑰分配？

由于量子密鑰分發(fā)過程中，線路的安全性是可以嚴格保障的，因此可能的安全性漏洞就集中在發(fā)射端和接收端。誘騙態(tài)方案和“測量器件無關”方案分別解決了上述兩端的安全性漏洞。這兩個方案均率先被潘建偉團隊實現(xiàn)。

潘建偉在報告中指出，在人類實現(xiàn)遠距離安全量子通信的征途上有兩大挑戰(zhàn)，分別是現(xiàn)實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。

迄今為止，在地面實驗中，量子密鑰分發(fā)的點對點距離可達到 500 千米量級，而量子隱形傳態(tài)可達到 100 千米。那么，如何在此基礎上繼續(xù)增加量子通信的距離呢？

一個階段性的解決方案是可信中繼傳輸，我國建設的光纖總長超過 2000 千米的“京滬干線”便采用了這一方案。在可信中繼方案中，需要人為保障中繼站點的安全，而中繼之間的線路則是安全的。這比傳統(tǒng)通信手段中整條線路處處都面臨著信息泄露的風險而言，大幅提高了安全性。

更為長遠的方案是使用量子中繼器。量子中繼包括量子糾纏純化、量子糾纏交換和量子存儲等手段，可以在遙遠地點間分發(fā)量子糾纏，從而實現(xiàn)遠距離的量子通信。潘建偉團隊在量子中繼的核心環(huán)節(jié)取得了一系列重要成果，目前已可支持通過量子中繼實現(xiàn) 500 千米的量子通信。但是量子中繼器的實際應用可能還需要等待 10 年之久。

目前更為有效的方法是基于衛(wèi)星的量子通信技術。這種手段不受地球表面障礙物的影響，在外太空也幾乎沒有衰減。我國于 2016 年研制成功并發(fā)射國際上首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，在國際上率先實現(xiàn)星地量子通信實驗，充分驗證了這一技術的可行性。

報告中，潘建偉展望量子通信的未來，描繪了一幅令人遐想的圖景：通過量子衛(wèi)星與地面光纖網(wǎng)絡，并與經(jīng)典通信網(wǎng)絡相融合，未來將可形成覆蓋全球的廣域量子通信網(wǎng)絡，全面提升信息安全水平。而利用廣域的量子通信網(wǎng)絡，人類可以發(fā)展出空間分辨率極高的望遠鏡技術；也可以構(gòu)建高精度的光頻率傳遞網(wǎng)絡，精度相比現(xiàn)在的微波時頻網(wǎng)絡可以提高 4 個數(shù)量級。

而“墨子號”量子衛(wèi)星發(fā)展的空間量子科學實驗技術，也為物理學基本原理研究提供了全新的平臺。

例如，最近潘建偉團隊利用“墨子號”量子衛(wèi)星對 Event Formalism 量子引力模型進行了檢驗，首次對量子力學和引力的融合進行了實驗探索。

利用高軌空間極低的引力和磁場噪聲，未來還有望實現(xiàn)精度高達 10-21 的光鐘，將會促進對引力波信號，特別是低頻信號的探測，可以揭示更為豐富的天文現(xiàn)象。

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