又是"國際首次"！中國科學家實現地星間量子隱形傳態

　　2017年08月10日 07:50 　來源：中青在線，中科院之聲公眾號等

　　

　　中國科學院量子衛星提前實現三大科學目標

　　

　　近日中國科學院召開新聞發布會，宣布量子科學實驗衛星「墨子號」在國際上首次成功實現從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態，兩項成果於8月10日同時在線發表在國際權威學術期刊《自然》雜誌上，至此「墨子號」已提前完成預設的三大科學目標，分別為量子密鑰分發，量子糾纏分發與量子隱形傳態。

　　《自然》（Nature）雜誌的物理科學主編卡爾-齊姆勒斯感慨「這是十分令人激動的消息（very exciting stuff）」，並給出評價：「以前人們會說量子技術的極限在天邊，但這說法其實有些保守了」，潘建偉團隊這些實驗中，量子技術就已經突破「天空的限制（gone beyond the sky）」，並將應用型量子通信技術方面的研究提升到如此的「天文高度（astronomical height）」。

　　一、量子密鑰分發

　　與經典通信不同，量子密鑰分發通過量子態的傳輸，在遙遠兩地的用戶，可共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密——這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。

　　這其中一個重要的研究內容，就是量子密鑰分發。

　　所謂密鑰分發實驗，要以量子力學一些「原理」的成立為提前。比如，「量子不可克隆定理、量子不可分割」，使得「存在竊聽必然被發現」，而量子的「一次一密，完全隨機」，又讓「加密內容不可破譯」成為現實。

　　卡爾-齊姆勒斯也提到，量子密鑰是保障通信極高保密性的關鍵。他說，「在沒有密鑰的情況下，是無法讀到這些通信的，如果有他人竊聽了你的密鑰，量子力學的原理保證了你一定會知道，從而你通信的安全性又上了一層樓。」

　　如今，這種量子密鑰分發的設想，在更遠的距離即千公里級完成了實驗。

　　具體來看，量子密鑰分發實驗採用衛星發射量子信號，地面接收的方式，「墨子號」量子衛星過境時，與河北興隆地面光學站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。

　　根據「墨子號」實驗結果，在1200公里通信距離上，衛星上量子誘騙態光源平均每秒發送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300kbit的安全密鑰，平均成碼率可達1.1kbps。

　　這些數據背後有一個對比結果，即「星地量子密鑰」的傳輸效率，比傳統的技術——也就是同等距離地面光纖通道，要高出20個數量級，即提升萬億億倍。

　　《自然》雜誌的審稿人稱讚星地量子密鑰分發成果是 「令人欽佩的成就（impressive achievement）」和「本領域的一個里程碑（it constitutes a milestone in the field）」，並稱「毫無疑問將引起量子信息、空間科學等領域的科學家和普通大眾的高度興趣，並導致公眾媒體極為廣泛的報道」。

　　二、量子隱形傳態　

　　《自然》雜誌8月10日發表的另一篇潘建偉團隊文章，則是關於量子隱形傳態，它利用量子糾纏，可以將物質的未知量子態，精確傳送到遙遠地點，而物體本身卻不需要移動。

　　在卡爾-齊姆勒斯看來，這是量子力學中「最著名卻神秘莫測」的方面。他說，在這個實驗中，潘建偉團隊展示了如何用處於糾纏態的光子，來實現這一點。

　　具體來看，「墨子號」量子衛星過境時，與海拔5100m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產生8000個「量子隱形傳態事例」，地面向衛星發射糾纏光子，實驗通信距離從500公里到1400公里，所有6個待傳送態，均以大於99.7%的置信度超越經典極限。

　　按照潘建偉的說法，假設在同樣長度的光纖中重複這一工作，需要3800億年——也就是宇宙年齡的20倍，才能觀測到1個事例。

　　《自然》雜誌審稿人稱，「這些結果代表了遠距離量子通信持續探索中的重大突破」，「這個目標非常新穎並極具挑戰性，它代表了量子通信方案現實實現中的重大進步」。

　　三、量子糾纏分發

　　在今年在6月16日，中國率先實現「千公里級」星地雙向量子糾纏，潘建偉介紹，「墨子號」量子科學實驗衛星過境時，同時與青海德令哈站和雲南麗江站兩個地面站建立光鏈路，量子糾纏光子對從衛星到兩個地面站的總距離平均達2000公里。衛星上的糾纏源載荷每秒產生800萬個糾纏光子對，建立光鏈路可以以每秒1對的速度在地面超過1200公里的兩個站之間建立量子糾纏，千公里的空間尺度上實現了嚴格滿足「愛因斯坦定域性條件」的量子力學非定域性檢驗。

　　「該量子糾纏的傳輸衰減僅僅是同樣長度最低損耗地面光纖的一萬億分之一。如果用過去的方法，需要三萬年才能送一個糾纏的光子到千公里以外，現在用量子衛星能做到每秒送1個了。」潘建偉說，雖然這個數量還是有點「不夠用」，但至少從原理上已經實現了，以後再慢慢擴大傳輸量，就能實現用量子傳遞大量的信息了。

　　中科院院長、黨組書記白春禮表示，「墨子號」全部既定科學目標提前完成，為項目本身畫上了一個圓滿的句號。與此同時，「墨子號」也開啟了全球化量子通信、空間量子物理學和量子引力實驗檢驗的大門，為我國在國際上搶佔了量子科技創新制高點，成為了國際同行的標杆，實現了「領跑者」的轉變。目前，奧地利已經與中科院科研團隊展開合作，德國、義大利等國家的科研團隊也申請加入，領跑的量子衛星所產生的聚合效應已經顯現。在完成既定科學任務后，「墨子號」也制定了後續拓展實驗計劃，包括基於糾纏的量子密鑰、全天時量子通信等，已經在緊張順利地進行中。預計在衛星設計壽命期內，還將有更多的科學成果陸續發布。