兩項成果于8月10日同時在線發(fā)表在國際權(quán)威學術(shù)期刊《自然》雜志上。這是繼先前在國際上率先實現(xiàn)千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學非定域性檢驗的研究成果以封面文章形式發(fā)表在《科學》雜志后，我國科學家利用“墨子號”實現(xiàn)的空間量子物理研究另外兩項重大突破。至此，“墨子號”提前圓滿實現(xiàn)全部三大既定科學目標，為我國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術(shù)基礎(chǔ)。
量子通信的研究內(nèi)容之一是量子密鑰分發(fā)。通信安全是國家信息安全和人類經(jīng)濟社會生活的基本需求。千百年來，人們對于通信安全的追求從未停止。然而，基于計算復雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù)，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數(shù)學和計算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。與經(jīng)典通信不同，量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠兩地的用戶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。量子通信的另一重要內(nèi)容是量子隱形傳態(tài)，它利用量子糾纏可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠地點，而不用傳送物質(zhì)本身。遠距離量子隱形傳態(tài)是實現(xiàn)分布式量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元。
量子通信通常采用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離的增加而指數(shù)增加。由于量子不可克隆原理，量子通信的信號不能像經(jīng)典通信那樣被放大，這使得之前量子通信的世界紀錄僅為百公里量級。因此，如何實現(xiàn)安全、長距離、可實用化的量子通信是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國際學術(shù)界幾十年來奮斗的共同目標
星地高速量子密鑰分發(fā)是“墨子號”的科學目標之一。量子密鑰分發(fā)實驗采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號，地面接收的方式，“墨子號”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。在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數(shù)量級（萬億億倍）。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300 kbit的安全密鑰，平均成碼率可達1.1 kbps。這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實現(xiàn)地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴展到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與合肥量子通信網(wǎng)、濟南量子通信網(wǎng)、京滬干線等城際光纖量子保密通信網(wǎng)互聯(lián)，可以構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò)。
《自然》雜志的審稿人稱贊星地量子密鑰分發(fā)成果是“令人欽佩的成就”和“本領(lǐng)域的一個里程碑”，并斷言“毫無疑問將引起量子信息、空間科學等領(lǐng)域的科學家和普通大眾的高度興趣，以及公眾媒體極為廣泛的報道”。
地星量子隱形傳態(tài)也是“墨子號”的科學目標之一。量子隱形傳態(tài)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式，“墨子號”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(chǎn)生8000個量子隱形傳態(tài)事例，地面向衛(wèi)星發(fā)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(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。倘若在同樣長度的光纖中重復這一工作，則需要3800億年（宇宙年齡的20倍）才能觀測到1個事例。這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究，以及空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。
《自然》雜志審稿人稱贊“這些結(jié)果代表了遠距離量子通信持續(xù)探索中的重大突破”，“這個目標非常新穎并極具挑戰(zhàn)性，它代表了量子通信方案現(xiàn)實實現(xiàn)中的重大進步”。
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