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中邦量子通讯卫星

中国量子工程

  

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  全国政协委员、中科院院士潘建伟3日透露,全球首颗量子通信科学实验卫星有望在7月发射。如果该卫星成功运行,中国将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,并结合地面已有的光纤量子通信网络,初步构建一个广域量子通信体系。在量子通信技术成熟之后,类似于“棱镜门”之类的窃听行为将很难重演

  量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。同传统通信相比,量子通信的安全性和高效性都实现了巨大提高,可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。

  随着电子商务、移动支付和互联网金融等新兴业务的蓬勃发展,通信与网络技术的触角已经深入到社会经济生活的各个角落。近年来不断曝光的监控窃听丑闻和用户隐私泄露事件进一步加剧了人们对于网络信息安全的忧虑与关注。传统加密技术通过算法和密码加解密在“明文”与“密文”间进行转换,以保护敏感信息的私密性和完整性,由算法的计算复杂度保证密码的安全性。量子计算技术的快速发展将对计算安全性构成挑战,由于量子计算巨大的信息携带量和高效的并行处理能力,能够非常快速地对密文进行计算破解,将对互联网信息安全的基础造成严重威胁。

  所谓量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式,是近二十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域。

  中国计划在2030年建成全球化的量子通信网络,因此在2011年启动了量子科学实验卫星的研制,2013年启动了光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”项目。潘建伟院士说,即将建成的量子京沪干线连接北京与上海,贯穿济南、合肥等地,是千公里级高可信、可扩展的广域光纤量子通信网络,属世界首例。

  有矛必有盾,量子物理学在向我们展现量子计算巨大威力的同时,也为我们提供了无条件安全的保密通信方式——量子通信。量子通信是利用量子叠加态和纠缠效应进行信息传递的新型通信方式,基于量子力学中的不确定性、测量坍缩和不可克隆三大原理提供了无法被窃听及计算破解的绝对安全性保证,主要分为量子隐形传态和量子密钥分发两种。量子隐形传态基于量子纠缠对分发与贝尔态联合测量,实现量子态的信息传输,其中量子态信息的测量和确定仍需要现有通信技术的辅助。量子隐形传态中的纠缠对制备、分发和测量等关键技术有待突破,目前处于理论研究和实验探索阶段,距离实用化尚有较大差距。量子密钥分发,也称量子密码,借助量子叠加态的传输测量实现通信双方安全的量子密钥共享,再通过一次一密的对称加密体制,即通信双方均使用与明文等长的密码进行逐比特加解密操作,实现无条件安全的保密通信。经过近30年的发展,量子密钥分发从理论协议到器件系统初步成熟,目前已有小规模的试点应用和初步产业化趋势。以量子密钥分发为基础的量子保密通信成为未来保障网络信息安全的一种非常有潜力的技术手段,是量子通信领域理论和应用研究的热点。

  1997年,在奥地利留学的中国青年学者潘建伟荷兰学者波密斯特等人合作,首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上第一次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到

  量子通信的试点应用催生了一批由科研机构孵化的科技产业实体。其中具有代表性的包括美国MagiQ公司和瑞士IDQ公司等,能够提供初步商用化的量子密钥分发系统器件、终端设备和整体应用解决方案。在国内,中科大在量子通信产业化方面表现突出,其衍生与合作建立了安徽量子通信技术有限公司、安徽问天量子科技股份有限公司和山东量子科学技术研究院有限公司,进行量子保密通信前沿研究成果向应用技术和商用化产品的转化,国家对于量子通信的专项投入和政策扶持为其快速发展注入了强劲动力。

  没有网络安全就没有国家安全。在网络信息安全威胁日益严峻的大背景下,量子通信作为能够在物理层提供无法被窃听和破解的绝对安全信息传输的通信技术手段,对于网络安全和国家安全的战略意义不言而喻。现阶段,量子通信的主要应用形式是基于量子密钥分发的保密通信,面向城域范围的语音和低速数据加密应用。未来,随着协议、器件和系统技术的演进,量子中继和星地量子通信等关键技术的突破与发展,其系统性能和现实安全性将不断获得提升,量子通信将成为网络信息安全领域的战略制高点。据公开资料分析,我国在量子通信领域的技术研究及产业应用与国际发展基本保持同步,未来在国家专项、政策扶植以及产学研用等业界的共同努力下,有望实现超越引领。

  在量子纠缠理论的基础上,1993年,美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信(Quantum Teleportation)的概念。量子通信是由量子态携带信息的通信方式,它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。量子通信概念的提出,使爱因斯坦的“幽灵(Spooky)” ——量子纠缠效益开始真正发挥其线年,在贝内特提出量子通信概念以后,6位来自不同国家的科学家,基于量子纠缠理论,提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案,即将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方,把另一个粒子制备到该量子态上,而原来的粒子仍留在原处,这就是量子通信最初的基本方案。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义,而且可以用量子态作为信息载体,通过量子态的传送完成大容量信息的传输,实现原则上不可破译的量子保密通信。

  由于量子密钥分发系统在协议原理、组网方式、器件性能和现实安全性等方面存在局限,商用化系统的安全密钥速率仅为10kbit/s量级,现网传输距离100km左右,实验报道的最高密钥速率为2Mbit/s量级(约40km传输距离时),光纤传输距离最长达200km(约1kbit/s密钥速率时)。量子密钥分发目前主要面向城域范围的语音加密应用,随着协议、器件和系统技术的发展与改进,有望提高密钥速率和传输距离,逐步扩展到干线高速传输的加密应用。

  量子态的传输损耗和退相干效应随距离呈指数增长,真正意义上的量子通信广域组网必须借助量子中继技术。现阶段,量子态的控制存储和纠缠纯化等技术尚不成熟,量子中继短期内难以突破。星地量子通信通过发射近地空间量子卫星,在星地之间进行量子纠缠对分发或量子密钥传输,能够为广域量子通信提供量子纠缠源和密钥中继,成为下一阶段广域量子通信组网的可行技术方案。

  量子通信系统,按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输,后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送。从物理学角度,可以这样来想象隐形传送的过程:先提取原物的所有信息,然后将这些信息传送到接收地点,接收者依据这些信息,选取与构成原物完全相同的基本单元,制造出原物完美的复制品。但是,量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息,这个复制品不可能是完美的。因此长期以来,隐形传送不过是一种幻想而已。

  光量子通信主要基于量子纠缠态的理论,使用量子隐形传态(传输)的方式实现信息传递。根据实验验证,具有纠缠态的两个粒子无论相距多远,只要一个发生变化,另外一个也会瞬间发生变化,利用这个特性实现光量子通信的过程如下:事先构建一对具有纠缠态的粒子,将两个粒子分别放在通信双方,将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量(一种操作),则接收方的粒子瞬间发生坍塌(变化),坍塌(变化)为某种状态,这个状态与发送方的粒子坍塌(变化)后的状态是对称的,然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方,接收放根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换(相当于逆转变换),即可得到与发送方完全相同的未知量子态。

  潘建伟院士曾打比方,“古人在信封上用火漆封口,一旦信件被中途拆开,就会留下泄密的痕迹”。量子密钥在量子通信中的作用比火漆更彻底,因为一旦有人试图打开“信件”,量子密钥会让“信件”自毁,并让使用者知晓。理论上说,量子加密技术应用成熟后,类似于“棱镜门”之类的窃听事件将很难发生。

  量子密钥分发保密通信的高安全性所蕴含的战略意义和经济价值广受各国政府、学术界与产业界的重视,近年来试点应用和产业化呈现快速发展趋势。

  1993年,6位来自不同国家的科学家,提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传态的方案:将某个粒子的未省量子态传送到另一个地方,把另一个粒子制备到该量子态上,而原来的粒子仍留在原地。其基本思想是:将原物的信息分成经典信息与量子信息两部分,它们分别经由经典通道与量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物质进行某一种测量而获得的,量子信息是发送者在测量里未提取的其余信息;接收者在获得这两种信息之后,就可以制备出原物量子态完全复制品。这个过程中传送的仅仅是原物质的量子态,而不是原物本身。发送者甚至可以对这一个量子态一无所知,而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。

  量子通信具有高效率和绝对安全等特点,是此刻国际量子物理和信息科学的研究热点。追溯量子通信的起源,还得从爱因斯坦的“幽灵”——量子纠缠的实证说起。

  经过二十多年的发展,量子通信这门学科已逐步从理论走向实验,并向实用化发展,主要涉及的领域包括:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。

  近年来,网络信息安全问题日益加剧了人们的忧虑和关注,随着量子计算技术的快速发展,传统保密通信技术自身的安全性也将面临挑战。量子通信作为能够提供无条件安全性保证的信息安全解决方案受到世界各国政府、学术界和产业界的广泛关注。基于量子密钥分发的保密通信作为量子通信领域理论和应用研究的热点,在技术研究、试点应用和产业化等方面发展迅速。中国在量子通信领域的研究和应用也取得了一系列重要进展,与国际发展水平基本保持同步。

  这里进一步解释一下量子纠缠。量子纠缠可以用“薛定谔猫”来帮助理解:当把一只猫放到一个放有毒物的盒子中,然后将盒子盖上,过了一会问这个猫现在是死了,还是活着呢?量子物理学的答案是:它既是死的也是活的。有人会说,打开盒子看一下不就知道了,是的,打开盒子猫是死是活确实就会知道,但是按量子物理的解释:这种死或者活着的状态是人为观察的结果,也就是人的宏观干扰使得猫变成了死的或者活的了,并不是盒子盖着时的真实状态,同样,微观粒子在不被“干扰”之前就一直处于“死”和“活”两种状态的叠加,也可以说是它既是“0”也是“1”。

  1997年在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作,首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”,作为信息载体的光子本身并不被传输。

  星地量子通信不受地形地貌限制,具有覆盖面广、机动性好、生存能力强等优点,同时,外层空间传输损耗和退相干效应很小,能够显著拓展量子密钥分发的组网距离。在前期大量自由空间量子通信研究和实验验证的基础上,世界各国都在准备或已经开展了星地量子通信计划,其中包括美国NASA的PhoneSat计划、奥地利研究机构联合欧空局开展的“Space-QUEST实验计划”等。在国内,2013年中科院设立战略先导专项“量子科学实验卫星计划”,由中科大、中科院多家院所和航天八院共同攻关,计划于2016年前后发射全球首颗量子通信实验卫星,初步构建我国广域量子通信体系。

  “量子科学实验卫星的发射,表明中国正从经典信息技术的跟随者,转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者。”潘建伟说,“我希望它尽快走进每个人的生活,就像计算机曾经做到的一样,改变世界。”

  由于人们对纠缠态粒子之间的相互影响一直有所怀疑,几十年来,物理学家一直试图验证这种神奇特性是否线年,法国物理学家艾伦·爱斯派克特(Alain Aspect)和他的小组成功地完成了一项实验,证实了微观粒子“量子纠缠”(quantum entanglement)的现象确实存在,这一结论对西方科学的主流世界观产生了重大的冲击。 从笛卡儿、伽利略、牛顿以来,西方科学界主流思想认为,宇宙的组成部份相互独立,它们之间的相互作用受到时空的限制(即是局域化的)。 量子纠缠证实了爱因斯坦的幽灵——超距作用(spooky action in a distance)的存在,它证实了任何两种物质之间,不管距离多远,都有可能相互影响,不受四维时空的约束,是非局域的(nonlocal),宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。

  2003年,美国DARPA资助哈佛大学建立了世界首个量子密钥分发实验系统和量子保密通信组网应用。此后,欧美日多国相继建成了瑞士量子、东京QKD和维也纳SECOQC等量子保密通信实验网络,演示和验证了城域组网、量子电话、选举投票保密等方面的应用。2013年,美国独立研究机构Battelle公布了环美量子通信骨干网络项目,计划采用分段量子密钥分发,结合安全授信节点进行密码中继的方式为谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头的数据中心之间的通信提供量子安全保障服务。

  潘建伟透露,该卫星已完成载荷正样产品、卫星平台正样产品研制、整星电测和热平衡试验,正在开展发射星集成测试、EMC测试、力学试验、磁测试等工作。简而言之,“就是卫星‘硬件’方面准备得差不多啦!”

  据中国科学技术大学教授、中国科学院院士、中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新主任潘建伟透露,中科院“量子科学实验卫星”预计2016年8月发 射,这既是中国首个、更是世界首个量子卫星。该卫星的发射将使中国在国际上率先实现高速星地量子通信,连接地面光纤量子通信网络,初步构建量子通信网络。 他还透露,“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网工程预计于今年下半年交付。据悉,这一工程将构建千公里级高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网 络,建成大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范平台。

  乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”,作为信息载体的光子本身并没有被传输。迩来,潘建伟及其合作者在如何提纯高品质的量子纠缠态的研究中又取得了新突破。为了进行远距离的量子态隐形传输,往往需要事先让相距遥远的两地共同拥有最大量子纠缠态。但是,由于存在各种不可避免的环境噪声,量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此,如何提纯高品质的量子纠缠态是此刻量子通信研究中的重要课题。

  经典通信较光量子通信相比,其安全性和高效性都无法与之相提并论。安全性-量子通信绝不会“泄密”,其一体现在量子加密的密钥是随机的,即使被窃取者截获,也无法得到正确的密钥,因此无法破解信息;其二,分别在通信双方手中具有纠缠态的2个粒子,其中一个粒子的量子态发生变化,另外一方的量子态就会随之立刻变化,并且根据量子理论,宏观的任何观察和干扰,都会立刻改变量子态,引起其坍塌,因此窃取者由于干扰而得到的信息已经破坏,并非原有信息。高效,被传输的未知量子态在被测量之前会处于纠缠态,即同时代表多个状态,例如一个量子态可以同时表示0和1两个数字, 7个这样的量子态就可以同时表示128个状态或128个数字:0~127。光量子通信的这样一次传输,就相当于经典通信方式的128次。可以想象如果传输带宽是64位或者更高,那么效率之差将是惊人的2,以及更高。

  如果说“京沪干线”像连接地面每个城市、每个信息传输点的“网”,那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。当这张纵横寰宇的量子通信之“网”织就,海量信息将在其中来去如影,并且“无条件”安全。

  在这个方案中,纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。量子力学是非定域的理论,这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实,因此,量子力学展现出许多反直观的效应。在量子力学中能够以这样的方式制备两个粒子态,在它们之间的关联不能被经典地解释,这样的态称为纠缠态,量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间的非定域非经典的关联。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有极其重要意义,而且能用量子态作为信息载体,通过量子态的传送实现大容量信息的传输,实现原则上不可破译的量子保密通信。

  国内的量子保密通信试点应用起步稍晚但发展迅速。2007年中科大在北京打通了国内首个光纤量子电话,之后相继在北京、济南、安徽芜湖与合肥等地建立了多个城域量子保密通信示范网、金融信息量子保密通信技术验证专线以及关键部门间的量子通信热线年,量子保密通信京沪干线项目通过评审并开始建设,计划建成北京和上海之间,基于安全授信节点密码中继,距离超2000km的国际首个长距离光纤量子保密通信骨干线路。

  在量子密钥分发中,通信双方首先对单光子进行随机的偏振态调制和测量,之后根据调制和测量结果进行协商、纠错和信息处理,最终获得共享的量子密钥。由于单光子的随机偏振具备量子叠加态的特征,任何窃听行为都将导致量子态的坍缩和信道误码率的上升从而被通信双方察觉。其密钥传输的安全性基于物理特性和编码协议,不依赖计算复杂度,从而也排除了对于密码进行计算破解的可能性。在量子密钥分发系统中,单光子源尚不成熟,集成诱骗态调制的弱相干脉冲源是现实选择,而光子探测器和随机数生成器等器件性能对于密钥生成速率与传输距离等性能指标也具有重要影响。量子密钥分发结合一次一密加密可以在理论和协议层面提供无条件安全性,但实际器件和系统的非理想特性仍然会成为可能被窃听者利用的安全漏洞,不断检验和完善量子密钥分发系统的现实安全性也是量子通信技术发展的重要方向。

  在科学应用系统方面,现在已完成兴隆、南山、德令哈量子通信地面站的验收测试。此外,德令哈量子通信地面站与卫星有效载荷初样鉴定件的对接实验,阿里量子隐形传态实验舱验收也已经完成。卫星上天后,量子通信科学应用系统将在首席科学家的主持下,协调卫星和各大系统,实现预定科学目标。

  国际上许多研究小组都在对这一课题进行研究,并提出了一系列量子纠缠态纯化的理论方案,但是没有一个是能用现有技术实现的。后来潘建伟等人发现了利用现有技术在实验上是可行的量子纠缠态纯化的理论方案,此刻原则上解决了时下在远距离量子通信中的根本问题。这项研究成果受到国际科学界的高度评价,被称为“远距离量子通信研究的一个飞跃”。

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本站文章于2019-11-14 10:56,互联网采集,如有侵权请发邮件联系我们,我们在第一时间删除。 转载请注明:中邦量子通讯卫星 中国量子工程