中國將發全球首顆量子實驗衛星

                               作者：aau            文章來源：互聯網         2016年8月10日

8月中旬,如果氣象條件合適,中國將發射全球首顆“量子實驗衛星”,邁出量子通信網絡建設的第一步。

此后,中國還將陸續發射衛星,建成全球第一個實現衛星和地面之間量子通信的國家。今年下半年,京滬量子通信干道也將建成,屆時國內將初步形成廣域量子通信體系。按照規劃,到2020年,中國將實現亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發,屆時聯接亞洲與歐洲的洲際量子通信網也將建成。到2030年左右,中國將建成全球化的廣域量子通信網絡。

各國圍繞量子信息科學展開的科技競賽已經打響,除中國外,美國、加拿大和新加坡等國也在積極部署該領域的研究。

“十三五”科創規劃提出建設量子通信和量子計算重點科技項目

量子力學描述的是在單個原子或次原子粒子尺度上,物質與能量行為和相互的作用。人類能夠在大尺度上直觀地理解粒子的集體效應,但量子行為則通常顯得奇異和反常。這些特殊的量子現象包括量子疊加 (系統同時包含所有的可能測量結果,一旦某個測量發生,則結果將為定值)和量子糾纏(多粒子的疊加態,它們的屬性相互關聯影響)。

量子的特性打破了人們對正常世界的理解。目前量子信息領域的主要應用方向:一是量子通信,二是量子計算。在量子通信領域,與其他許多先進的前沿科技領域相比,中國已經處在全球領先地位。

8月8日,國務院印發的《“十三五”國家科技創新規劃》(以下簡稱《規劃》)中,更是提到部署量子通信和量子計算的重點科技項目。《規劃》指出,面向2030年,再選擇一批體現國家戰略意圖的重大科技項目,力爭有所突破。從更長遠的戰略需求出發,堅持有所為、有所不為,力爭在航空發動機及燃氣輪機、深海空間站、量子通信與量子計算、腦科學與類腦研究等重點方向率先突破。

在量子通信和量子計算重大科技項目里,《規劃》稱,要研發城域、城際、自由空間量子通信技術,研制通用量子計算原型機和實用化量子模擬機。

量子實驗衛星

今年46歲的浙江東陽人潘建偉,是國內量子通信的領軍人物。2004年,潘建偉團隊在國際上首次實現了五光子糾纏和終端開放的量子態隱形傳輸,這一成果被《自然》雜志發表,并同時入選英國物理學會和美國物理學會評選出的年度國際物理學重大進展。

潘建偉的團隊于2007年在國際上首次實現了安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發,2008年實現了國際上首個全通型量子通信網絡,2012年建成首個規模化量子通信網絡。

潘建偉還是此次量子實驗衛星發射的主要負責人之一。據團隊成員陸朝陽介紹,若首枚量子通信衛星順利發射成功,中國將發射更多的衛星。若要實現覆蓋全球的安全通信網絡,大約需要20顆衛星。

左邊為陸朝陽,右邊為潘建偉

《Nature》報道稱,中國量子實驗衛星的核心是一個能夠產生糾纏光子對的晶體,這些光子對無論相距多遠,它們的屬性仍然保持糾纏。衛星的首個任務是向北京和維也納的地面站發射這些糾纏光子對,使用它們生成密鑰。

這項任務為期兩年,團隊還計劃在此期間執行名為貝爾測試的統計測量,以證明相距1200公里的粒子之間存在糾纏。根據量子理論預測任何距離之間都存在糾纏,但需要貝爾測試實際驗證。此外,團隊還將嘗試“隱形傳輸”量子態,通過使用糾纏光子對以及以更加常規方式傳輸的信息,在新的位置重構光子的量子態。

潘建偉說希望通過量子通信研究,從初步實現局域量子通信網絡,到實現多橫多縱的全球范圍量子通信網絡,以保證信息傳輸的絕對安全;通過量子計算研究,為大規模計算難題提供解決方案,實現大數據時代信息的有效挖掘;通過量子精密測量研究,實現新一代定位導航等等。

“量子通信和量子計算都是屬于量子調控技術范圍。”潘建偉說,“目前,全世界計算機的計算能力都非常弱。”

潘建偉預測,不到十年左右的時間,他們就能夠造出一種專用的量子計算機或者叫做量子模擬機,在某些計算能力上要比目前最快的傳統計算機快百億倍甚至更多。

各國備戰量子信息技術

除了中國在緊鑼密鼓地部署量子通信,尋求國際領先地位外,其他國家也在積極推進量子信息科學的研究。

美國國家科學技術委員會(NSTC)在7月份,發布了《推進量子信息科學:國家的挑戰與機遇》的報告。報告中,美國國家科學技術委員會對量子信息科學的重要性,前瞻性進行了闡述,還介紹了美國在量子信息科學的研究發展狀況。該委員會認為量子計算能有效推動化學、材料科學和粒子物理發展,未來可能最終會顛覆眾多科學領域,人工智能也當屬其中之一。

美國政府隨即在官網發文,督促學術界、工業界和政府盡快就量子信息科學(QIS)議題進行交流,以保證量子信息研發的關鍵需求得到滿足。目前,美國科技公司谷歌、IBM等已經在量子計算機領域有所投入。

歐洲國家也不甘自己在量子領域落后。今年4月份,歐盟委員會對外宣布,將斥資10億歐元投入量子技術,希望這個項目“將會讓歐洲處于第二次量子革命的前沿,未來10年在科學、產業和社會方面帶來變革性的進展”。

加拿大也是量子領域不可忽視的力量。據《Nature》新聞雜志報道,加拿大的一直科研團隊正提出在地面生成糾纏光子對,然后將其中部分發射至重量不到30公斤的微型衛星上。這比在太空生成光子便宜,加拿大量子加密與科學衛星(QEYSSat)團隊成員,滑鐵盧大學物理學家 Brendon Higgins 說,但是將光子發送到運動的衛星上將是一項挑戰。該團隊計劃首先在飛機上使用光子接收器測試該系統。

除此之外,新加坡國立大學和英國斯特拉斯克萊德大學合作,利用重量為5公斤的衛星(也稱為立方體衛星)開展量子實驗。去年,該團隊發射了一顆立方體衛星,在軌道中產生并測量“關聯”光子對;他們希望在明年發射可以產生完全糾纏光子對的裝備。

新加坡國立大學物理學家Alexander Ling在接受《Nature》的采訪時認為,立方體衛星單個耗費僅10萬美元,使太空量子通信易于實現。

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