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中国量子通信:云程发轫 占据世界一席之地

2016-01-12 04:33
Hsiao Chen
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  一面是信息科学高速发展,一面是信息安全举步维艰。据测算,网络犯罪每年给全球带来高达4450亿美元的经济损失。“银行卡密码被破解,在导航中被黑客攻击……突破经典信息技术的瓶颈,对于保护公民和国家的信息安全至关重要,对发展下一代信息产业也有着深远影响。而量子通信是迄今唯一被严格证明为无条件安全的通信方式。”在中国科技大学,潘建伟告诉记者。在过去的十多年间,他和同事们一直在为此努力。这也是近年来世界主要发达国家优先发展的科技高地,国际竞争异常激烈。

  量子通信的实现超乎想象的困难。激光管每秒钟发出的光子约有1016个,要把它们一个个分离出来制造单光子已经是阻力重重,更何况还要加载信息,再传输出去,最后还要探测到。经过多年的努力,2007年,潘建伟团队利用诱骗态方法,克服了现实条件下光源不完美带来的安全隐患,在国际上首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发,从而开启量子通信技术实用化的大门。此后,项目组又先后实现了国际上首个全通型量子通信网络(2008年)、建成首个规模化城域量子通信网络(2012年)。

  但新问题随之而来。在城市中光纤资源丰富,利用光纤来实现量子通信固然是最有效的途径。然而光纤有不可避免的损耗,随着距离的增加,光子会几乎全部被吸收,这意味着仅仅依靠光纤,量子通信只能停留在短距离应用上。

  潘建伟很早就意识到了这一点,在发展光纤量子通信技术的同时,也着手开展自由空间中的量子通信研究。2005年,潘建伟团队发表了题为《13公里自由空间纠缠光子分发:朝向基于人造卫星的全球化量子通信》的论文,证明当纠缠光子分发经过相当于整个竖直大气层后,其纠缠的特性仍然能够保持,向世人宣告通过卫星实现全球化量子通信成为可能。此后他们在自由空间量子通信的一系列技术突破,为最终实现星地量子通信奠定了坚实的基础。

  此外,通过对纠缠态的研究,可以为将来高速度的量子计算机打下基础。

  “求解一个包含1024个变量的方程组,利用目前最快的天河2号超级计算机需要100年,而利用工作频率比天河2号还要慢一万倍的量子计算机,只要0.01秒。”潘建伟表示。然而,对单光子的精确操纵已是不易,要操纵多个光子之间的量子纠缠更是难上加难。在团队组建之初,国际上对多光子纠缠的实验制备和操纵几乎一片空白。为了攻克这一世界性难题,潘建伟的项目组与之苦苦纠缠了近十年。2003年,团队终于实现四光子纠缠态,此后,又先后实现五光子(2004年)、六光子(2007年)、八光子纠缠(2012年),一直保持着纠缠光子数目的世界纪录。团队基于国际领先的多光子纠缠操纵技术,在国际上率先实现了绍尔算法、拓扑量子纠错、快速求解线性方程组算法、量子机器学习等几乎所有重要量子算法的验证。2015年,团队凭借“多光子纠缠及干涉度量”的研究成果问鼎国家自然科学奖一等奖。

  英国《自然》杂志在报道其量子通信研究成果时指出:“这标志着中国在量子通信领域的崛起,从十年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美。”英国《新科学家》杂志说,“潘和他的同事使得中国科学技术大学——因而也是整个中国——牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地”。

  “在量子的世界里,我们还在向上攀登的路上。”潘建伟说。如今,利用自主研制的量子通信装备,项目组已经为60周年国庆阅兵等国家重要政治活动提供信息安全保障。在国家发改委的支持下,以项目组为主要建设单位的远距离量子通信骨干网“京沪干线”项目正在建设之中,将建设连接北京、上海,贯穿济南、合肥等地的千公里级高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络,预计2016年下半年建成。与此同时,团队不久将发射首颗“量子科学实验卫星”,在国际上率先实现高速的星地量子通信并连接地面光纤量子通信网络,初步构建我国“天地一体”的广域量子通信体系。

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