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科普:什么是量子通讯?量子卫星有啥价值?

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(原标题:量子卫星是什么?)

什么是量子通讯卫星

量子信号从地面上发射并穿透大气层———卫星接收到量子信号并按需要将其转发到另一特定卫星———量子信号从该特定卫星上再次穿透大气层到达地球某个角落的指定接收地点。

2016年8月,中国科学家将发射世界首颗“量子卫星”,这有朝一日或许有助于建立一个极其安全的全球通信网络。全球首颗量子科学实验卫星被正式命名为“墨子号”。

加拿大、日本、意大利和新加坡的研究人员也透露了在太空中进行量子实验的计划,包括建议在国际空间站进行的一个实验。

什么是量子通讯

潘建伟研究小组于2003年开始研究自由空间量子通信,他们在实验点制备出成对的纠缠光子,再利用两个专门设计加工的发射望远镜将容易发散的细小光束“增肥”后向东西相距13公里的两个实验站送出,两个接收端用同样型号的望远镜收集。

经过研究人员的种种努力,在如此远距离的传送中,虽有许多纠缠光子衰减,但仍有相当比例的“夫妻对”能存活下来并有旺盛的生命力,经单光子探测器检测,分居东西两地的光子“夫妻对”即使相距遥远仍能保持相互纠缠状态,携带信息的数量和质量能完全满足基于卫星的全球化量子通信要求。

在此基础上,研究小组进一步利用分发的纠缠光源进行绝对安全的量子保密通信。13公里不仅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。

2012年8月11日我国科学家潘建伟等人近期在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发,为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础。国际权威学术期刊《自然》杂志8月9日重点介绍了该成果。

量子通讯的优势是啥

由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗,如果能够在技术上实现纠缠光子再穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性,人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。

量子卫星是什么?简单的来说,是通讯卫星。

量子通信因其传输高效和绝对安全等特点,被认为是下一代通信和计算机技术的支撑性研究。由于量子不可分割、状态不可克隆的特性,将其作为信息载体便可以实现抵御任何窃听的密钥分发,进而保证传输内容的绝对安全。以此为核心研究内容的量子卫星通信,也已成为全球物理学研究的前沿与焦点领域。

中国的量子卫星和量子通信

我国关于量子卫星的研制始于2011年,并在2013年启动了光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”项目。据了解,建成后的“京沪干线”全长2000多公里,连接北京、济南、合肥、上海等全国多个城域网络,并将是全球首个广域光纤量子保密通信骨干网络。

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7月发射,这既是中国首个、也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。

2016年8月英媒称,中国科学家将发射世界首颗“量子卫星”,这有朝一日或许有助于建立一个极其安全的全球通信网络。

英国《每日邮报》网站8月3日报道,这个重达1300磅(约合590千克)的航天器中,含有一块能够产生纠缠光子对的晶体,这些光子对将被发射到中国和奥地利的地面卫星接收站中,从而形成一个“密钥”。

据《自然》杂志报道,该卫星计划于本月晚些时候在酒泉卫星发射中心进行发射。如果这一为期两年的研究任务的初期实验能够获得成功,那么可能很快就会再发射多颗卫星。

研究人员正在努力证明粒子即使相距极远——该研究的实验距离约为750英里(约合1200公里)——也能保持纠缠。

此前为证明量子通信所做的研究显示,这一距离最长为180英里出头。现在科学家们希望,太空中的光子传播能够将这一距离变得更长。

《自然》杂志解释道,通过空气和光纤时,光子会被分散或吸收,这给脆弱的量子态的保持带来了挑战。但光子在太空中的传播却更平顺。

实现此等距离的量子通信将使建立安全的全球通信网络成为可能,通信双方能够使用一个共享的密钥进行交流。

在量子物理学中,纠缠粒子即使相隔极远,也会保持相互连接。因此,其中一个粒子的动作会影响另一个粒子的行为。如果某个人试图在一端窃听,那么另一端就能检测到这种通信干扰。

该研究任务为期两年。在此期间,中国研究人员将进行贝尔测试,以证明在这样一种超远距离下,纠缠依然存在。

此外,据英国《自然》周刊报道,中国人还将尝试“隐形传送”量子态,即在一个新位置重建某个光子的量子态。

中国的这项实验将尝试创造出一种高效可靠的量子隐形传态方法。研究人员说,实现了量子隐形传态后,便能制造出一种分辨率极高的望远镜。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学家保罗·奎亚特说:“你不仅能看到那些行星,理论上来说,还能看清木星卫星上的车辆牌照。”奎亚特参与了美国航空航天局的项目。

这个中国航天器的首项任务便是将光子对发射到北京和维也纳的地面接收站中,从而形成密钥。但是,随着研究工作的进行,这颗卫星可能很快便会迎来其他卫星的加入。

中国科学技术大学物理学家陆朝阳告诉《自然》周刊:“如果首颗卫星表现不错,中国肯定会发射更多。”若要创建一个连接全世界的通信网络,大约需要部署20颗卫星。

(部分整合自百度百科)

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