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超越1000公里距离,量子通信大门是如何被“墨子号”打开的?

2020-08-05 14:16:14 综合报道 阅读:
量子通信是当前科学界最热也最前沿的技术之一,量子通信的传输距离一直是其中的难题之一,以前一直未有突破,现在,"墨子号”突破一千公里的技术将打开量子通信从实验室走向实际应用的大门。

量子通信是当前科学界最热也最前沿的技术之一,同时也是急需被攻克的难题之一。虽然全世界科研人员都在深入研究量子通信,也取得了一定的成功,但是量子通信的大门却一直未能打开,究其原因是因为量子通信目前还无法实现远距离传输。但是,现在,"墨子号”突破一千公里的技术突破将打开量子通信从实验室走向实际应用的大门。4N2ednc

2016年,突破10英里(约16.1公里):中国科学家把纠缠态的高能光子对穿过10英里长的自由空间通道,量子保密通信技术的物理原理保证了其绝对安全性。这一距离是目前国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离,也是目前国际上没有窃听漏洞量子密钥分发的最大距离。4N2ednc

2017年,业界传出量子通信的传输距离是200公里。4N2ednc

2020年2月,业界突破500公里4N2ednc

继首次实验验证了远距离双场量子密钥分发可行性,在300公里真实环境的光纤中实现了双场量子密钥分发实验后,济南量子技术研究院王向斌教授、刘洋研究员与中国科学技术大学潘建伟院士团队再次合作,实现了509公里真实环境光纤的双场量子密钥分发(TF-QKD)。相关研究成果于2月20日(北京时间)在线发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》上(Phys. Rev. Lett. 124, 070501 (2020)),王向斌教授和张强教授为论文共同通讯作者。该成果成功创造了量子密钥分发最远传输距离新的世界纪录,推动新一代远距离城际量子密钥分发迈上了新的台阶。4N2ednc

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2020年6月16日,来自中国科学技术大学等国内外单位的研究团队利用“墨子号”量子科学实验卫星,在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。该实验成果不仅将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级,并且通过物理原理确保即使在卫星被他方控制的极端情况下,依然能实现安全的量子通信,取得了量子通信现实应用的重要突破。相关研究成果6月15日在线发表于《自然》杂志上。4N2ednc

“墨子号”是和量子通信联系在一起,因为它就是我国自主研发的量子科学实验卫星。据报道,“墨子号”突破了一千公里的量子密钥分发距离,达到了1120公里,实现了量子密钥分发在历史上跨越一千公里的传送,这将会叩开量子通信从实验室走向实际应用的大门。4N2ednc

突破1000公里!墨子号敲开量子通信大门,可惜因安全问题未能推行

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那么什么是量子?什么是量子密钥?这种方式如何保证通信的安全性?下文将带您一起了解该成就和与其相关的问题。4N2ednc

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何为量子?何为量子密钥分发?4N2ednc

量子这个概念很多人在网络上听得多了,都觉得它是一个高大上的词语,但并不知道它指的是什么。从量子物理的定义来看,量子指的是一切物质组成的最基本的单位,例如分子、原子、电子和光子,这些都可称为量子。4N2ednc

突破1000公里!墨子号敲开量子通信大门,可惜因安全问题未能推行

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量子密钥分发,顾名思义就是将量子密钥发送出去。但由量子组成的密钥与普通计算机里的密钥不同,它的安全性更高一些。如果密钥在分发的过程中遭到第三方的盗窃,那么接收方和发送方立即就能察觉这件事,从而采取应对措施。4N2ednc

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为何量子密钥的安全性如此高?4N2ednc

量子密钥的分发之所以会有如此高的安全性,是因为它同时利用了量子的两个特性,叠加性和不可复制性。叠加性是指量子可以是两种状态的叠加,而普通生物的状态是单一的,要么是生,要么是死,而量子可以同时保持完整的破碎。4N2ednc

突破1000公里!墨子号敲开量子通信大门,可惜因安全问题未能推行

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这种特性决定了量子的不可复制性。如果量子密钥在传输的过程中被第三方接触了,那么密钥的状态就会立即改变,有可能向完整的方向改变,也有可能向破碎的方向改变,导致第三方无法得到正确的密钥。而接收双方在得知此事后,可以重新生成密钥进行分发和接收。4N2ednc

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即使该方法很理想,但还无法得到实际应用,这是为何?4N2ednc

量子密钥的分发在理论上来说是一种安全度很高的通信方式,但这种方式自从被提出来后一直到现在都还未得到实际应用,主要有两方面的原因。一方面是这种方式因为信号损耗问题无法进行远距离传输,另一方面是现实设备还存在不少安全漏洞问题。4N2ednc

突破1000公里!墨子号敲开量子通信大门,可惜因安全问题未能推行

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看到这可能会有朋友好奇,为什么量子在传递过程中还会产生信号损耗呢?实际上地球上任何信号在传播过程中都存在损耗现象,目前实验室里利用单光子作为物理载体来传输量子密钥,但是单光子在传输过程中会不断地被光纤通道吸收,导致距离越远信号的损耗就越大。4N2ednc

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中继通信可解决该难题,但仍存在这方面的安全漏洞4N2ednc

在“墨子号”实现1120公里的量子密钥分发之前,国际上已经出现了500公里的成功案例,但之后并未出现重大突破。后来有科学家提出了采用中继通信来充当密钥分发的“接力站”,这就好比一个马拉松选手参加了10公里的比赛,正常人在比赛中需要经过一段时间就从路人手中接过水瓶进行水分补给。中继通信扮演的就是路人的角色,它为能量即将损耗完的量子密钥补给能量,好让它继续传播下去。4N2ednc

突破1000公里!墨子号敲开量子通信大门,可惜因安全问题未能推行

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该想法确实不错,而且在现实中也得到了应用,前几年我国就利用该方法实现了7600公里的洲际量子通信。但这种方法还是存在安全漏洞,如果中继通信的技术掌握在其他国家手里,那么到了中继站的量子密钥则有可能被盗取。因此在2017年我国实现了突破千里的量子纠缠分发后,中国科学技术大学的科学家潘建伟产生了新想法。4N2ednc

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由量子纠缠引发的思考,基于量子纠缠的量子密钥分发可行否?4N2ednc

首先来了解一下量子纠缠的概念,它指的是两个或多个粒子之间不管距离有多遥远,在相互作用之后原本各自的独立特征就会形成综合特征,因此科学家可以通过测量其中一个粒子的状态来获知其他距离遥远粒子的状态。潘建伟正是想到了在量子纠缠的基础上进行量子密钥分发。4N2ednc

突破1000公里!墨子号敲开量子通信大门,可惜因安全问题未能推行

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在初期理论中,基于量子纠缠的量子密钥分发会使得接受双方的密钥都拥有综合特征,因此其中一方只需要测得该方特征就能获知另一方特征,但在密钥分发过程中该方法失效。即使量子纠缠是由第三方发起的,接收方只要测得密钥的特征,同样能够获取密钥中的信息。这种方式消除了第三方盗取量子密钥的可能性,从而极大提高分发安全性。4N2ednc

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该研究发现意味着什么?量子密钥分发下一步将往哪走?4N2ednc

经过多团队、多位科学家的研究之后,基于量子纠缠的量子密钥分发的方案正式确定。该基础理论落地后,该庞大的研究团队先后经历了设备的更新、技术方法的改善,建立了一条从乌鲁木齐到青海长达1120公里的光链路,并最终以每秒钟0.12比特的成码率实现了量子密钥的分发。4N2ednc

突破1000公里!墨子号敲开量子通信大门,可惜因安全问题未能推行

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综上所述,该研究团队打破了以往对量子通信的思维方式,将量子纠缠应用到量子密钥分发中,将“墨子号”原本的中继通信角色转化为“量子纠缠源头”的角色。对于他们的研究和发现,《自然》期刊的审稿人表示这是人类量子通信领域一座重要的里程碑,它将可能叩开量子通信从实验室走向实际应用的大门。4N2ednc

突破1000公里!墨子号敲开量子通信大门,可惜因安全问题未能推行

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目前基于量子纠缠的量子密钥分发能以每秒钟0.12比特的速度生成,但以这种速度投入到实际应用中还远远不够。因此中国量子密钥下一步将朝着提高密钥成码率的方向发展,使其提升到每秒钟十几比特、几十比特,到那时相信人们会更加了解量子通信,也会体会到量子通信的优势所在。4N2ednc

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责编:Challey4N2ednc

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