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2019-12-16 人民日报海外版
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“墨子号”量子科学实验卫星与阿里量子隐形传态实验平台建立天地链路。

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全球首个规模化量子网络:合肥城域量子通信试验示范网概貌

  可能很多人都有过类似的经历:当一个人想起另一个人的时候,对方却能同时感觉到;突然感觉到有人要给自己打电话,结果电话很快就响了……

  我们通常称之为“心灵感应”,两个人之间瞬间的信息传递就是如此微妙,只是长期以来,我们要么认为纯属巧合,要么干脆斥之为迷信、伪科学。

  生活中的许多现象和奥秘,人类暂时还无法解释。好在,科学对一切未知的东西,并不轻易否定。

  20世纪量子理论的出现,颠覆了人类对微观世界的很多看法。特别是量子纠缠理论的实验验证:具有纠缠态的两个粒子无论相距多远,只要一个状态发生变化,另外一个也会瞬间发生变化——这不就非常类似于“心灵感应”么?!

  当然,这个实验不是为“心灵感应”做验证。但基于量子纠缠理论的量子通信,解决了人类保密通信的巨大难题。

  2016年8月,中国成功发射“墨子号”量子科学实验卫星。作为航天大国,中国几乎每年都会成功发射几颗卫星,这次虽然不会再像当年发射第一颗人造卫星“东方红一号”那样,出现举国欢庆的激动与兴奋,但在国际上仍然引起很大轰动。

  “墨子号”是世界首颗量子科学实验卫星。国际权威学术期刊《自然》曾评价,“国际同行们正在努力追赶中国,中国现在显然是卫星量子通信的世界领导者。”

  量子通信是迄今唯一安全性得到严格证明的通信方式。

  对保密通信的需求自古就有,且无处不在。大至国家安全、商业秘密,小至个人隐私,都无一例外地与此息息相关。

  中学课本中有一篇大家熟知的课文《信陵君窃符救赵》,出自《史记·魏公子列传》,讲述魏公子信陵君盗魏王虎符、绞杀晋鄙、却秦存赵的故事,其中解决问题的死结,即中国古代的身份验证工具——虎符。

  在中国古代,虎符乃兵甲之符,是古代皇帝授予将臣兵权和调兵遣将的信物。“虎符”分为左右两半,需调兵时,由朝廷使者持右半符前往,军队长官将右半符与左半符验合后,军队即按使者传达的命令行动。

  古希腊斯巴达人使用的密码棒,也许是人类最早使用的文字加密解密工具:把长带子状羊皮纸缠绕在圆木棒上,然后在上面写字;解下羊皮纸后,上面只有杂乱无章的字符,只有再次以同样的方式缠绕到同样粗细的圆木棒上,才能看出所写的内容。

  保密和窃密,自始至终纠缠不已。为了保密,人类不得不在加密技术上不断探索创新。从用纸笔或简单机械实现加解密的“古典秘法体制”,到莫尔斯发明电报实现加解密的“近代密码体制”,再到以电子密码催生的“现代密码体制”,不断攀升。

  保密与窃密的攻防双方,基本都是在加密、破译的反复之中循环着。虽然机关算尽,但要确保保密通信万无一失,仍需绞尽脑汁。

  现代密码体制中,无论是对称密码体制还是非对称密码体制,其安全性都是基于数学的复杂性,与计算机的计算能力相关联。上世纪90年代,随着量子算法的提出,人们意识到,量子计算机在并行运算上的强大能力,使它能快速完成经典计算机无法完成的计算,一旦研制成功,将对现行所有密码体制造成严重威胁。这话听起来不免让人胆战心惊。但量子保密通信技术,让人类看到了“永不泄密”的曙光,可以做到不可窃听、不可破译。

  神奇的是,量子通信具备有“反窃听”功能。利用光子的量子态作为密钥本身的载体,收发双方通过量子测量的方法,能够检测出这些光子在传输过程中是否遭到了窃听者的窃听。

  除了量子保密通信外,量子通信中还有另一种应用方式,即量子隐形传态。量子隐形传态是利用已分发的量子纠缠,把粒子的量子状态传送至遥远距离。在量子纠缠的帮助下,待传输的量子态在一个地方神秘地消失,不需要任何载体的携带,以光速又在另一个地方神秘地出现,而且不是巧合。

  《西游记》中的神仙、妖怪经常玩“失踪”,孙悟空一个跟头就能翻出去十万八千里,现代科幻小说中描写的“星际穿越”,以及武侠小说中的“乾坤大挪移”,过去都只当是科学幻想。现在看来,这些不是不可行,而是有可能。

  量子通信因其安全性和广阔的应用前景,很快成为国际上量子物理和密码学的研究热点,受到各国政府和相关研究机构的广泛关注。

  1992年,美国和加拿大的科学家首次实现了世界上第一个量子密钥分发,传输距离32厘米,由此拉开了量子通信实验研究的序幕。如何大幅度提高量子保密通信的距离,成为重要研究方向,各国科研机构都竞相在这一领域发力。

  1997年,奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证;2004年,该小组利用多瑙河底的光纤信道,成功地将量子隐形传态距离提高到了600米。

  正是在这个时候,潘建伟和他的研究团队,开始走进人们的视野。一系列骄人的研究成果,不断给人们带来惊喜。

  1996年,从中国科学技术大学毕业的潘建伟,赴奥地利因斯布鲁克大学留学,师从量子实验研究的著名学者安东·蔡林格教授。1997年,还是博士研究生的潘建伟以第二作者身份发表了题为《实验量子隐形传态》的论文。这个实验,被公认为量子信息实验领域的开山之作。该论文与“爱因斯坦建立相对论”等划时代的论文一同被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。

  潘建伟1999年博士毕业的时候,国内的量子信息研究还处于刚刚起步的阶段。2001年,潘建伟在中国科学技术大学组建量子物理与量子信息实验室,经过10多年的努力,带出了一支声震国际的量子“梦之队”。

  从32厘米到100公里,时间用了不到20年,却打开了量子通信走向应用的大门。2006年夏,潘建伟小组和美国洛斯阿拉莫斯国家实验室—欧洲慕尼黑大学—维也纳大学联合研究小组各自独立实现了诱骗态方案,同时实现了超过100公里的诱骗态量子密钥分发实验。

  由潘建伟任首席科学家的“墨子号”量子科学实验卫星成功发射后不到一年,2017年9月,世界首条1000公里级量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通。利用量子“京沪干线”与“墨子号”量子卫星的天地链路,中科院与奥地利科学院进行了人类历史上第一次洲际量子保密通信视频通话。

  2019年8月15日,国际权威学术期刊《物理评论快报》报道,中国科学家潘建伟研究团队在国际上首次成功实现高维度量子体系的隐形传态。美国物理学会等发表评论称,这一成果为发展高效量子网络奠定了坚实的科学基础,是量子通信领域的一个里程碑。

  值得一提的是,2017年5月3日,潘建伟团队宣布,利用高品质量子点单光子源,构建了世界首台针对特定问题的计算能力超越早期经典计算机的光量子计算原型机。这意味着,量子计算的技术发展相当迅猛,诞生可以破解经典密码的量子计算机,也许并不遥远。

  潘建伟说:“我们正处在一个不断实现和超越梦想的光荣时代。”这种信心和情怀,让人敬佩,令人期待。

  道高一尺,魔高一丈。科学发展到今天,人类看到的世界,仅仅是整个世界的一小部分。人类未知的世界,多到难以想象。现在也许可以说,量子保密通信能做到“永不泄密”,但在未来呢?

  大胆假设,小心求证。探求未知的梦想,才是人类前进的动力。科学正是在不断怀疑、假设、证实、否定中不断发展的。

  应该向那些执著于探知未来的人们致敬。古往今来,正是因为有了他们,如潘建伟团队那样,始终锲而不舍地在与“量子们”的“纠缠”中,追逐梦想,揭示世界奥秘,展现神奇力量,才能让人类不断拓展所能认知的更广阔疆域,奔向原本以为遥不可及的远方。

  (图片由安徽省新闻办提供)

打印 责任编辑:侯茜
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