從32cm到4600km 中國構建的量子通信網怎麼這麼牛！

中國科學技術大學7日宣佈

 

中國科研團隊成功實現了

 

跨越4600公里的

 

星地量子密鑰分發

 

標誌著中國已構建出

 

天地一體化廣域量子通信網雛形

 

29年前

 

人類歷史上首次量子通信

 

在實驗室誕生時

 

傳輸距離是32釐米

 

 

△ 圖片來源：中國科學技術大學

 

那麼

 

什麼是量子

 

量子通信網有多牛

 

這張網對我們的生活有何影響

 

中國量子通信技術攻克了哪些難關

 

 

量子是物理量的最小單元

 

既有絕技又有怪辟

 

量子就是品質、能量等各種物理量的最小單元，它以某種粒子狀態存在。比如光其實是以光子為單位一份一份變化的，一個光子就是一個量子。

 

 

量子不可分割、不可克隆。科學家利用這些特性，可以制做出最安全的保密鑰匙，從而讓信息傳輸變得更加安全。

 

量子通信：給數據加上牢不可破的鎖

 

中國科學家們構建的量子通信網絡，就是給傳統通信方式加上量子密鑰。

 

現有的密碼體系是通過增加計算複雜性來保證安全的。以目前世界上最快的計算機之一——我國“天河二號”為例，以其運算速度分解一個300位的數字需要15萬年，而如果用量子疊加並行計算，1秒鐘就可以計算出來。

 

 

△量子通信網絡加密通信的流程示意圖

 

量子密鑰由於作為信息載體的單光子不可分割、量子狀態不可克隆，進而能保證用其加密的內容不可破譯。量子密鑰分發是迄今為止唯一被嚴格證明是原理上無條件安全的通信方式。

 

可以毫不誇張地説，在未來沒有量子通信的國家，其信息安全在別國看起來就等同於透明。

 

量子通信已在中國多領域應用

 

經過20多年努力，中國在量子通信領域實現了從跟跑到領跑的重大轉變。

 

 

2016年，中國成功發射全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”；2017年9月，世界首條量子保密通信幹線——“京滬幹線”正式開通。

 

量子保密通信“京滬幹線”總長超過2000公里，覆蓋四省三市共32個節點，包括北京、濟南、合肥和上海4個量子城域網，通過兩個衛星地面站與“墨子號”相連，總距離4600公里。

 

 

目前，量子通信技術已經在我國獲得應用。其中，量子保密通信技術已經為紀念抗戰勝利70週年閱兵、十九大等國家重要會議和活動提供了信息安全保障。此外銀行業監管信息報送、人民幣跨境收付信息管理系統、網上銀行數據異地災備系統等都應用了量子保密通信技術。未來，量子通信在金融、政務、國防、電子信息等領域可進一步廣泛應用。

 

爬坡過坎 

 

一個個技術難關被攻破

 

 

△ 量子通信衛星與地面站實驗示意圖（圖源：中國科學技術大學）

 

中國量子通信團隊取得的成果舉世矚目，在這當中他們遭遇了怎樣的技術難關？

 

難關一：單個光子製備

 

在量子通信技術的研發過程中，首先要面對的是製備單個光量子的技術難題。中科院院士、中國科技大學常務副校長潘建偉舉了一個非常形象的例子，來解釋這一關鍵技術的難度：一個普通的15瓦左右的燈泡每秒鐘輻射出的光量子個數可達十萬億億個，想要實現單個光量子的製備就如同在這十萬億億個光量子發射出來的瞬間捕捉到其中的某一個。

 

難關二：單光子的探測

 

單個光子已經是光能量的最小單元，能量是非常微弱的，需要發展出非常精密和高效的單光子探測技術。具備了單個光量子的製備和探測能力後，才能夠實現安全的量子通信。

 

 

△ 2016年11月26日拍攝的“墨子號”量子科學實驗衛星與興隆量子通信地面站建立天地鏈路。

 

難關三：星地通信好比萬米高空投硬幣

 

“墨子號”衛星常務副總設計師王建宇舉例説，“要從1000千米的高度把一個個光子發射到地面站，就好比在萬米高空高速飛行的飛機上，同時向地面兩個旋轉的投幣口細長的儲蓄罐扔進一個個硬幣。儲蓄罐的投幣口是細長的，相當於光的偏振，它是有方向的，硬幣要把方向對好才能扔進去，而且不是扔一個，要兩邊同時都扔準才行。”

 

難關四：地面探測難度遠超千里眼

 

根據計算，一根火柴劃一下大概有1017個光子，而衛星地面站的探測能力，相當於在地球上的人要發現在月亮上有人劃了一根火柴。此外，還要在每秒一億個光子裏面，搞明白地面探測到的是第幾個光子，這些光子都是排好隊的，探測一個就要知道它是第幾個，這樣才能用來做密鑰。

 

 

目前，廣域量子通信網絡的雛形已基本形成。骨幹網的擴展，將形成更複雜的拓撲結構，並在基礎上構建國家地基授時網絡，為定位、導航和授時服務提供保障。另一方面，地面網絡與量子衛星結合，為超大尺度量子干涉的相關實驗提供了有利基礎，如探索量子力學與廣義相對論融合等問題，為量子引力的基礎檢驗和用於計量應用的大規模干涉測量提供了可能。