上海推进科技创新中心建设办公室

上海张江国家自主创新示范区

上海张江高新技术产业开发区

您所在位置:首页  / 新闻中心 / 新闻中心列表 / 科技策源 /   详情

屡破世界纪录,“墨子号”带领中国成为全球量子通信“领跑者”

来源:科Way

发布时间:2022-08-11

近日,国际顶刊《物理评论快报》《自然》同时刊登了三项分别基于离子、原子和光子纠缠的设备无关的量子密钥分发的实验工作。其中我国科学家潘建伟及其同事张强、徐飞虎等,通过发展设备无关理论协议和构建高效率的光学量子纠缠系统,首次在国际上实验实现了设备无关量子密钥分发(DI-QKD)的原理性演示,DI-QKD基于无漏洞量子力学基础检验,提供了一套全新的不依赖于设备具体功能和特性的安全成码方案。国际科学界称之为“网络安全的重大突破”。

量子信息技术研究是当前世界科技研究的一大热点。早在“十三五”期间,上海就把“量子材料与量子通信”作为重要战略方向予以重点支持;“十四五”期间,上海全面推进城市数字化转型,提升下一代数字技术攻关能力,聚焦量子信息、类脑智能、神经芯片、DNA存储、6G网络等重大前沿领域,建立协同攻关机制。

image.png

image.png

▲ 位于浦东秀浦路的上海量子科学研究中心

浦东早早就主动布局量子通信产业,张江高新区大力推进量子通信技术大规模产业化应用,浦东成为了量子技术和产业发展的制高点。“十四五”期间,浦东还将引领量子科学、类脑科学、基因工程等先导产业发展。


如今

位于浦东秀浦路的

上海量子科学研究中心

正在打造最核心的

量子科研基地

而这一路

处处都有卫星界的大明星“墨子号”

及其背后研究团队的身影




充分的地面验证:

从13公里到百公里,从光纤到自由空间

2016年8月18日凌晨,青海小城德令哈观测站,小雨初歇。印娟透过望远镜,在重重叠叠的云缝里捕捉到一点亮光。那正是我国自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。“当时‘墨子号’离开地面近48小时了,我们第一时间就将地面的信标光覆盖到它,为它点亮灯塔,打通建立天地链路的第一步。”回忆当时情形,这位“墨子号”的量子纠缠源载荷主任设计师仍然难抑激动。


所谓“量子纠缠”,就像双胞胎之间的心灵感应一样,处于纠缠的两个粒子之间不论相隔多远,当其中一个粒子的状态发生变化,另一个粒子也会即刻发生相应的状态变化。量子纠缠,这种诡异的特性正是量子密码、量子态隐形传输和量子计算机的主要依据。印娟是2002年暑假进入潘建伟教授的量子实验室的,当时的她还是中国科技大学核物理专业的本科生,甫进入便被量子纠缠深深吸引,从此投身量子通信领域二十载不改初心。


image.png


基于纠缠的量子密钥分发的原理是,首先在遥远两地的用户间分发建立纠缠,只要用户A测量了其中一个粒子的状态,用户B的另一个粒子的状态也会相应确定,这就生成了只有双方才知道的量子密钥。若有窃密者中途截获某个光子后获取其上信息,该纠缠光子对的状态就会发生改变,即存在窃听必然被发现,从而通信双方丢弃存在窃听风险的密钥。


但在实际应用中,量子纠缠非常脆弱,光子在光纤传输时固有损耗随距离增加呈指数增长,比如千公里距离后只剩10-20的信号,并且消相干会导致量子纠缠品质的下降。这也正是2003年量子通信走出实验室向远距离拓展遭遇的研究瓶颈。


image.png


“潘老师最早想到在卫星上实现量子通信,当时很多人都觉得是天方夜谭。”印娟进而解释说,外太空几乎是真空,光信号损耗很小,并且几乎没有退相干效应。不过,对于单个光子来说,虽然太空中没什么损耗,但是地面附近大气层还是可能会对光子产生损耗。


所以,如果量子通信卫星能够有效工作,必须要在技术上保证光子可以穿越大气层的厚度还依然保持纠缠。为了验证这一点,2005年,潘建伟团队在合肥的大蜀山开展了水平距离13公里(大于大气层垂直厚度)的自由空间双向量子纠缠分发实验。实验结果显示,穿过大气有效厚度之后,两个光子纠缠仍然存在。这无疑证实了远距离自由空间量子通信的可行性。


自由空间团队和“墨子号”的故事,自此正式拉开了帷幕。“千里之行,始于足下”, 2007年,印娟和她的同事,被派往上海佘山,借助天文台和卫星之间的光信号星地传输,证明了单光子级别光源也能被地面接收,为星地一体量子通信网络提供实验支撑。


image.png

▲ 印娟(左)


2009年,团队的年轻人奔赴云南、贵州、新疆,最终在青海湖找到了一处绝佳的演习场,开始了针对量子卫星的各种技术验证,包括气浮平台、模拟星地相对运动、百公里级量子通信实验等。


这些年轻人一起搭建帐篷,凭着一股子不服输的劲头,苦蹲三年,取得了一系列实验成果,实验中开发的高精度双向光跟瞄、高亮度量子光源、低噪声单光子探测等技术,都成为了后来“墨子号”上至关重要的环节。


2011年,印娟和她的同事们制备出了国际上最亮的四光子纠缠源,并在青海湖实现了首个百公里级的量子纠缠分发实验和量子隐形传态实验,为最终实现量子卫星的科学目标做了充分的地面验证。这些工作成果发表在了《自然》上,几位审稿人高度评价其为“一个英雄的实验工作”“有望成为远距离量子通信的里程碑”。


一飞冲天:实现世界首次星地千公里级

量子纠缠、密钥分发及隐形传态

2011年底,中科院空间科学先导专项将“量子科学实验卫星”正式立项,这标志着原本属于基础研究的自由空间量子通信进入了追求高可靠零失败的航天工程领域。


博士后出站、刚三十岁的印娟被任命为量子纠缠源载荷主任设计师,负责研制星载量子纠缠光源,和航天系统一起沟通协作。她将全部精力投入到“零失误”正样飞行件产品生产中,她和团队成员形容这个过程为“打怪兽”,把能想象到的极端环境都模拟出来,一次次在样机上发起挑战。


image.png

▲ 2016年,“墨子号”出厂前合影,中为印娟


经过初样阶段的研制和开展相关验证试验,她带领团队完成了国际上唯一的亮度最高(指标超出任务标准4倍)、可靠性和稳定性达到卫星载荷标准的纠缠源产品。


2016年8月16日,“墨子号”卫星在酒泉卫星发射中心发射升空,它在万众瞩目中一飞冲天,从茫茫戈壁进入卫星轨道。那一刻,现场大屏幕上正讲述着自由空间团队和“墨子号”的故事。


image.png


短暂的兴奋之后,自由空间团队的成员们便从酒泉赶赴各自的地面站去蹲守“墨子号”。印娟也很快到了德令哈观测站。随后就有了本文开头的那一幕。而这一守,就守了五年。


团队所有人的作息与“墨子号”同步,短短半年里,就完成了预定的三大科学任务:实现高速的星地量子密钥的分发,实现1200公里的双向星地量子纠缠分发、大尺度量子非定域性实验,实现地星量子隐形传态。


2017年6月16日,《科学》杂志率先向全球发表了“墨子号”实验的重大突破——千公里级量子纠缠分发的最新研究成果。此前,国际上量子分发实验只停留在百公里的距离,中国量子通信技术与世界其他国家基本持平,而量子卫星科学实验让中国的量子通信技术一下子处于领跑地位。


从大蜀山的13公里,到青海湖的百公里,再到天地间上千公里,自由空间团队所有人一起,走得充满艰辛却步履坚定,团队里的年轻人也从青涩的实验室学生,成长为独当一面的项目负责人。而通过十几年的努力,我国在地面光纤和卫星量子通信领域都建立了国际领先的地位。


迄今“墨子号”已在太空中服役了将近六年,这个超期服役的“老兵”依然活力十足。


2020年6月,自由空间团队利用“墨子号”在国际上首次实现千公里级基于纠缠的无中继量子密钥分发。这一实验成果不仅将以往地面无中继量子密钥分发的空间距离提高了一个数量级,并且通过物理原理确保了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密钥分发。随后《自然》在线发表了这一成果,审稿人称赞其“展示了一项开创性实验的结果”,“我的确认为不依赖可信中继的长距离纠缠量子密钥分发协议的实验实现是一个里程碑”。


image.png

▲ “墨子号”过境时,同时与新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站两个地面站建立光链路,以每秒2对的速度在地面超过1120公里的两个站之间建立量子纠缠,进而在有限码长下以每秒0.12比特的最终码速率产生密钥。


今年5月,团队再次利用“墨子号”创造了目前地表量子态传输的新纪录——地球上相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输,向构建全球化量子信息处理和量子通信网络迈出重要一步。


正如印娟所说,“正是由于在每个细节上做到最好,这颗卫星才没有辜负国家的重托和公众的期待”。



科创上海
张江发布