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我国实现量子信息百公里隐形传输环球彩票登录

发布时间:2019-11-03 07:22编辑:科技知识浏览(160)

    我国实现量子信息百公里隐形传输

    经过近十年的艰苦努力,在中科院、科技部、基金委等的大力支持下,潘建伟小组为实现大尺度量子信息处理发展了若干关键量子技术。该小组发展的超高亮度量子纠缠源技术自2004年开始一直处于国际领先水平,目前的亮度比十年前提高了500倍。该小组还发展了一套高精度的时间同步技术,在百公里量级时间同步精度达到1纳秒。与此同时,中科院联合研究团队发展了一套高频率、高精度的瞄准、捕获和跟踪技术和装置,确保了百公里量子信道的衰减稳定在一个可以进行实验的范围内,这是世界上首次将高频率高精度的跟瞄技术应用到量子通信的实验中,该技术可以用来跟踪移动目标,将来可以直接利用到卫星的跟瞄上。

    尽管对他和他的团队来说,所谓领跑,或是创造世界纪录,早已是家常便饭——

    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。量子信息因其传输高效和绝对安全等特点,被认为可能是下一代IT技术的支撑性研究,并成为全球物理学研究的前沿与焦点领域。基于我国近10年来在量子纠缠态、纠错、存储等核心领域的系列前沿性突破,中科院于2011年启动了空间科学战略性先导科技专项,力争在2015年左右发射全球首颗“量子通讯卫星”。中国科学技术大学教授潘建伟、彭承志、陈宇翱等人,与中科院上海技术物理研究所王建宇、光电技术研究所黄永梅等组成联合团队,于2011年10月在青海湖首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。实验证明,无论是从地面指向卫星的上行量子隐形传态,还是卫星指向两个地面站的下行双通道量子纠缠分发均可行,为基于卫星的广域量子通信和大尺度量子力学原理检验奠定了技术基础。“在高损耗的地面成功传输100公里,意味着在低损耗的太空传输距离将能达到1000公里以上,基本上解决了量子通讯卫星的远距离信息传输问题。”研究组成员彭承志介绍说,量子通讯卫星核心技术的突破,也表明未来构建全球量子通信网络具备技术可行性。8月9日,国际权威学术期刊《自然》杂志重点介绍了这一成果,代表其获得了国际学术界的普遍认可。《自然》杂志称其“有望成为远距离量子通信的里程碑”、“通向全球化量子网络”,欧洲物理学会网站、美国《科学新闻》杂志等也进行了专题报道。更多阅读《自然》发表论文摘要潘建伟院士获2012年度国际量子通信奖记潘建伟院士:徜徉在量子世界潘建伟院士小组首次实现高效长寿量子存储中科大量子调控研究团队创造系列“世界首次”特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。

    在任意距离间传输未知量子态是实现远距离量子通信和分布式量子网络必不可少的环节,它可以通过远距离量子态隐形传输和纠缠分发来实现。目前,量子态隐形传输和纠缠分发已经在中等距离的光纤得到了实现,但是巨大的光子损耗和消相干效应使得要在光纤中实现更远距离的量子传输必须引入量子中继器,而量子中继器的实用化在实验上还是一个很大的挑战。自由空间信道由于损耗小,比光纤通信更具可行性,结合卫星的帮助,将有可能在全球尺度上实现超远距离的量子通信和量子力学基础检验。

    英国《自然》杂志在报道潘建伟团队量子通信研究成果时就提到:这标志着中国在量子通信领域的崛起,从10年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美。

    (微尺度物质科学国家实验室、科技处)

    事实上,在量子物理学诞生的一百多年里,有关研究始终长盛不衰。但是,在只争朝夕的国际科研竞争前几十年,一直难见到中国人的身影。起步晚,是中国人甩不掉的标签,但这并不妨碍我们“弯道超车”。

    2005年,潘建伟小组在国际上首次实现了距离大于垂直大气层等效厚度的自由空间双向纠缠分发。此后,在中科院知识创新工程重大项目“远距离量子通信实验研究”、“空间尺度量子实验关键技术与验证”和中科院量子战略性先导科技专项的持续支持下,潘建伟小组对自由空间量子实验关键技术进行了大量的研究。2010年,该小组在国际上首次实现了16公里自由空间量子态隐形传输。从2010年开始,中科院联合研究团队在青海湖地区建立实验基地,开展验证星地自由空间量子通信可行性的地基实验研究,从多个方面进行攻关,旨在突破基于卫星平台自由空间量子通信的关键技术瓶颈。

    “弯道超车”:中国在太空领跑

    利用所发展的若干核心量子技术,今年潘建伟小组在大尺度量子信息处理方面取得了系列重要进展:在基于超高亮度纠缠源技术的基础上,他们在国际上首次实现了八光子纠缠,论文发表在《自然》杂志的子刊《自然•光子学》上 [Nature Photonics 6, 225 ],欧美多家知名科技媒体,包括欧洲物理学会、美国麻省理工学院技术评论、美国物理学家组织、大众科学、英国ZDNet网站等分别对其进行了专题报道。随后,他们利用八光子纠缠,在国际上首次实验实现了拓扑量子纠错,取得了可扩展容错性量子计算领域的重大突破,论文发表在《自然》杂志上[Nature 482, 489 ],《自然》杂志的几位审稿人给予了热情洋溢的高度评价,称之为“非常重要的原理性实验,一个艰苦卓绝的英雄主义的量子光学实验”,“实验的完成是完美而极具挑战性的”,“对拓扑纠错这一当前量子信息处理最引人注目的范例中关键一环的实验验证”。为此,《自然》专门邀请著名量子光学专家James Franson教授在“新闻视角”栏目撰文对这个工作进行了介绍。随后,工作受到了欧洲物理学会的《物理世界》等许多科学媒体的关注。同时,潘建伟小组还在量子中继器的实用化研究上取得了突破,他们成功实现了长寿命、高读出效率的量子存储,该成果为目前国际上量子存储综合性能指标最好的实验结果,朝着最终实现实用化的量子中继器迈进了重要一步,论文发表在《自然》杂志的子刊《自然•物理》上 [Nature Physics 8, 517 ]。

    如今,以量子卫星最新实验为代表的成果,让中国再次挺进量子研究世界版图的中心。属于中国的量子时间似乎正在到来。

    媒体报道:

    加拿大滑铁卢大学量子技术专家延内魏因说,国际上确实存在量子科研竞赛。“中国团队已克服了好几个重大技术与科学挑战,清楚地表明了他们在量子通信领域处于世界领先地位。”

    中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟院士及其同事彭承志、陈宇翱等,与中科院上海技术物理研究所王建宇、光电技术研究所黄永梅等组成的联合研究团队,在国际上首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发,通过地基实验坚实地证明了实现基于卫星的全球量子通信网络的可行性,该研究成果于8月9日以封面标题的形式发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。

    而在我国,早在2003年,潘建伟就向中科院提出利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案。在当时的中科院内部,这个“闻所未闻的想法”并非没有收到质疑的声音,甚至有人说,“潘建伟疯了”!

    • [中央电视台新闻联播]量子隐形传输首次跨越百公里
    • [人民日报]中国首次实现百公里量子隐形传输
    • [人民日报海外版]量子态百公里隐形传输实现
    • [新华网]中国实现百公里量子隐形传输 为发射“量子通讯实验卫星”奠定基础
    • [光明日报]量子隐形传态跨越百公里鸿沟
    • [文汇报]全球量子通信网络有望成真
    • [科技日报]中科大合肥微尺度物质科学国家实验室地基实验证明卫星助力全球量子通信网络可行
    • [中国科学报]远距离量子通信实现百公里量级实验
    • [安徽电视台]中科大量子隐形传态首次跨越百公里 刷新世界纪录
    • [山西日报]我国实现百公里量子态隐形传输
    • [燕赵都市报]我国在全球首次实现量子态百公里隐形传输
    • [大众日报]力争2015年发射全球首颗“量子通讯实验卫星”
    • [大公报]中國實現百公里量级量子态隱形傳輸
    • [中国广播网]中科大量子研究成果登《自然》杂志 全球量子通信网络有望实现
    • [中国新闻网]中国研究触发量子网络建设
    • [安徽日报]中科大量子隐形传态首跨百公里刷新世界纪录
    • [安徽商报]中科大在青海湖完成实验 量子隐形传输首次跨越百公里
    • [新安晚报]中科大研究成果登上《自然》杂志
    • [合肥晚报]中科大发布重大科研成果 首次实现量子百公里隐形传态
    • [合肥日报]中科大一重大科研成果世界瞩目 未来全球量子通信网或将实现

    比如,量子信息实验研究的先驱者、著名物理学家Anton Zeilinger 研究组以及欧洲众多的优秀研究团队一直在与欧洲空间局商讨建立以国际空间站为平台的星地量子通信计划。然而,欧空局缓慢的决策机制使得这一计划一再拖延。

    该研究部分成果的预印本于今年5月在美国学术网站arXiv.org公开后,立即引起了学术界的广泛关注。欧洲物理学会新闻网站以“物理学家宣布新的量子态隐形传输记录”为题进行了特别报道。美国《科学新闻》杂志更以“量子隐形传输的巨大飞跃”为题进行了专题报道,文中写道“研究进展使得基于卫星覆盖全球的、实用化的远距离量子通信网络更为接近现实”,“为基于卫星的量子通信、远距离的量子力学基本检验铺平了道路”。英国《新科学家》杂志以“隐形传输记录触发全球保密量子网络”为题进行了报导。《自然》杂志几位审稿人对该成果给予了高度评价,称之为“来自于潘建伟小组的另一个英雄的实验工作”,“有望成为远距离量子通信的里程碑”。《自然》杂志还在该论文发表前向各大科学新闻媒体发布了题为“通向全球化量子网络”的新闻稿,并同时在《自然》杂志的当期封面上发布“量子隐形传态跨越了百公里鸿沟”的封面标题。

    美国波士顿大学量子技术专家谢尔吉延科评价:这是一个英雄史诗般的实验,中国研究人员的技巧、坚持和对科学的奉献应该得到最高的赞美与承认。

    在上述系统技术的长期发展和积累的基础上,中科院联合研究团队2011年10月在青海湖首次成功地实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和双向纠缠分发,该实验研究成果发表在8月9日出版的《自然》杂志上[Nature 488, 185 ]。该实验证明,无论是从高损耗的地面指向卫星的上行通道链路,或是从卫星指向两个地面站的双通道下行链路,实现量子态隐形传输和量子纠缠分发都是可行的,这为基于卫星的广域量子通信和大尺度的量子力学基础原理检验的实现奠定了坚实的基础。

    在人类肉眼看不到的微观世界中,事物究竟是以“概率”而存在的,还是“确定”存在的?举个关于足球的例子,在宏观世界,我们可以确定地知道它究竟在哪个点,但在微观世界,一个足球就相当于一个粒子,人们似乎只能判断它出现在足球场某个点的概率,却无法确切地知道它究竟在哪里。

    这一成果不仅刷新世界纪录,有望成为远距离量子通信的里程碑,而且为发射全球首颗量子科学实验卫星即如今的“墨子号”奠定了技术基础。同年12月6日,《自然》杂志为该成果专门撰写了长篇新闻特稿《数据隐形传输:量子太空竞赛》,详细报道了这场激烈的量子太空竞赛。

    《科学》杂志审稿人称该成果是“兼具潜在实际现实应用和基础科学研究重要性的重大技术突破”,并断言“毫无疑问将在学术界和广大的社会公众中产生非常巨大影响”。

    正如一位美国同行所说,虽然第一艘宇航飞船和第一个人造卫星都是苏联做出来的,但登月,美国却是第一个。他们觉得只要努力,就可以在量子领域赶超中国。

    赞誉、解读、报道纷至沓来——

    以美国为例,2015年美国航空航天局宣布一项计划:在其总部与喷气推进实验室之间建立一个直线距离600千米、光纤皮长1000千米左右、10个中转基站的远距离光纤量子通信干线,并计划拓展到星地量子通信。不过,目前该计划尚未有实际进展的最新消息。

    全球相关领域的科学家,甚至是一些执政者都为这个问题着迷。因为,一旦这种特性得到最终验证,就有一个最为直接的应用,即通过量子纠缠所建立起来的量子信道不可破译,成为未来保密通信的“终极武器”。

    “所以,我们不敢懈怠。”潘建伟说。

    就像是一个隐喻,来自中国的“墨子号”量子卫星从太空发出两道红色的光,看上去像极了汉字里大写的“人”字,这幅景象被当作“封面”,刊印在6月17日的美国知名学术期刊杂志《科学》上。这一次中国科学站到了世界面前,而且是挺直腰杆,站在了最前沿。

    人类之所以爱上科学,很大程度上在于它能够探索未知,满足我们的好奇心。如今,一个不难描述的未知问题摆在人类面前——

    6月16日,中国量子科学实验卫星首席科学家、中国科学技术大学副校长潘建伟院士在媒体的闪光灯下宣布:中国率先实现了“千公里级”的星地双向量子纠缠分发,打破了此前国际上保持多年的“百公里级”纪录,回答了爱因斯坦关于量子力学的“百年之问”。

    在中科院新闻发布当天,潘建伟没有刻意掩饰自己的激动,他说:“这是我这辈子目前为止,做过的最好的科学成果。”

    “作为一个年轻人能够做这样一件事情,我没有理由拒绝。”彭承志说。

    量子力学正是微观世界“概率论”的最大支持者。量子论里有一种特性,即量子纠缠,简单来说,两个处于纠缠状态的量子,就像有“心灵感应”,无论这些粒子之间相隔多远,只要一个粒子发生变化,另外的粒子也会即刻“感知”,随之发生变化。

    2003年,潘建伟团队开始实验“长距离”量子纠缠,从13公里到100公里,从追赶走向超越。2012年8月9日,国际学术期刊《自然》杂志以封面标题形式发表了潘建伟团队的研究成果:他们在国际上首次成功实现了“百公里”量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。

    中国量子科学实验卫星“墨子号”。 资料图片

    如此列举,并非只是在“功劳簿”上写上一笔。

    不过,中科院最终咬牙批给了潘建伟团队100多万元——这在14年前可是一笔“相当大”的科研经费。

    潘建伟说,一切进展顺利时,大家也许意识不到,但一旦遇到磕磕碰碰,就能深切地意识到“某些环节或某个机构的不可或缺性”。他的一些欧洲、美国、加拿大同行,也曾有过类似的科学设想,但没有类似团队的全力支持,只能作罢。

    潘建伟说:“是世界上最牛的,至少是之一”。

    相应地,类似的实验,欧盟、加拿大、日本都有科学家在呼吁和推进。但或因技术积累不够,或因资金支持不够,目前进展缓慢。

    潘建伟粗略地测算过,使用光纤进行量子分发,传输“百公里”距离,损耗已达99%;传输“千公里”的距离,每送1个光子大约需要3万年,“这就完全丧失了通信的意义”。

    就在一个月前,潘建伟团队研发的世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机问世。再往前,2003年,潘建伟团队实现了四光子纠缠态——一个量子纠缠研究领域基础性工作,此后多年,该团队又先后实现五光子、六光子、八光子、十光子纠缠,一直保持着多光子纠缠的世界纪录,并频频引来学界和媒体的关注。

    潘建伟说,这项成果是由一个“大团队”做出的。在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下,他和他的同事彭承志等组成的研究团队,联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中心等单位合作完成。

    据他回忆,2003年,潘建伟找到还是博士生的他,向他描述量子通信的前景。他问潘建伟:“这个事,是不是挺牛的?”

    潘建伟不止一次地被问到:中国这一次为何得以领先欧美国家?

    按照潘建伟的说法,他从中国科大的研究起步,把人才布局辐射奥地利因斯布鲁克、英国剑桥、德国马普量子光学所……2008年,他带领在德国的团队整体回归中国科大,分布在世界各地的年轻学者也陆续回国,一支由他领衔、以陈宇翱、陆朝阳、张强、赵博等为代表的世界级研究团队“横空出世”。

    异军突起:体制机制做后盾

    不过,潘建伟这位年仅47的院士仍有着“严重的危机感”。他说,没做成的时候有很多怀疑,现在花了这么多时间做成了,国际上都纷纷表示要“尽可能赶上”。

    按照潘建伟的说法,要让量子通信实用化,需要实现量子纠缠的“远距离”分发。一代又一代学者接力走下来,人类似乎遭遇了“瓶颈”:由于量子纠缠“太脆弱”,会随着光子在光纤内或地表大气中的传输距离而衰减,以往的实验只停留在“百公里”量级的距离。

    如今,14年过去,“千公里”量级的关卡闯了过去,这支团队正朝着“30万公里”的终极距离去努力,继续检验量子力学。未来,还有可能和探月工程结合,到月球上做实验。

    又过了4年,潘建伟团队通过发射“墨子号”卫星,将“量子纠缠”的实验距离拉到“1200公里”,把科学家一直假想的实验变成了现实,也让中国量子在太空中领跑全球。

    如今,在最新量子太空竞赛中,中国“墨子号”再次独占鳌头,第一个冲过“千公里”量级的跑线。参与这次实验的两个地面站分别是青海德令哈站和云南丽江高美古站,两站距离1203公里。有评论称,发射后仅仅数月,世界上首颗量子通信卫星就已经达到了它最具雄心的目标之一,量子通信向实用迈出一大步。

    于是,一场大国间的“量子通信”竞赛就此出现,谁先冲到“千公里”的距离,似乎就能在这场赛跑中领先。潘建伟说:“大家不断地去‘拉长’这个距离,以此来验证量子纠缠的原理,步步逼近量子通信的实用目标。”

    不过,爱因斯坦并不买账,并讥讽这个现象为“幽灵般的超距作用”。也因此,他和波尔等科学巨擘为此展开激烈争论,并留下一个“世纪年之问”:上帝掷骰子吗?换言之,微观世界都是由“概率”决定存在的吗?

    那时,有一个叫彭承志的,还是一头黑发的年轻小伙,如今却已是头发花白的量子卫星科学应用系统总师、中国科学技术大学的教授,也是这次“千公里”量级重要成果的主要完成人之一。

    2015年年末,英国政府发布的《量子时代的技术机遇》报告显示,中国在量子科技的论文发表上排在全球第一、专利应用排名第二。在“第二次量子革命”的起步阶段,中国异军突起进入“领跑阵营”。

    而他的回答,往往是“集中力量办大事”,有赖于中国“大科学”项目建设的高效性。

    “世纪之问”:全球大国新博弈

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