ICCSZ訊 8月16日凌晨,我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。
中國在量子科學(xué)領(lǐng)域的這一“領(lǐng)跑動(dòng)作”引發(fā)了全世界的關(guān)注,因?yàn)檫@不僅標(biāo)志我國空間科學(xué)研究又邁出重要一步,更有媒體預(yù)測(cè),伴隨著量子信息技術(shù)逐漸走向?qū)嵱没?,其衍生出?A href="http://m.3xchallenge.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e9%87%8f%e5%ad%90%e9%80%9a%e4%bf%a1&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">量子通信技術(shù),被譽(yù)為是繼微電子信息之后,最有可能引發(fā)軍事、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)領(lǐng)域又一次重大革命的關(guān)鍵技術(shù),將催生量子通信的千億市場(chǎng),引發(fā)世界新一輪的通信技術(shù)研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)。
2030年建成量子通信網(wǎng)絡(luò) 每戶配一個(gè)密鑰機(jī)
據(jù)中科院院士、清華大學(xué)原子分子納米科學(xué)研究中心主任李家明介紹,量子通信的好處在于保密性強(qiáng)、安全性高。“在量子通信網(wǎng)絡(luò)下,如果有人設(shè)法竊取你的私人通訊,你會(huì)立刻察覺到,這樣就可以啟動(dòng)相應(yīng)的措施保護(hù)個(gè)人的隱私和安全。而在現(xiàn)有的通信技術(shù)手段下,這是無法做到的。”
正因于此,量子通信的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)成為包括歐盟、美國、日本和中國在內(nèi)的各個(gè)大國爭(zhēng)相追逐的目標(biāo)。
據(jù)了解,隨著首顆量子衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)成功,我國還將會(huì)陸續(xù)發(fā)射后續(xù)衛(wèi)星,并結(jié)合未來的空間站項(xiàng)目,開展相關(guān)研究,驗(yàn)證星間、全天時(shí)量子通信的可行性。
“按照規(guī)劃,到2020年,中國將實(shí)現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā);到2030年左右,中國將建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。”潘建偉表示。
量子通信網(wǎng)絡(luò)究竟會(huì)給人類生活帶來哪些改變?中國科學(xué)院的一本有關(guān)量子衛(wèi)星的科普手冊(cè)中寫道:如果一個(gè)覆蓋全國甚至是全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成,并且隨著應(yīng)用深入,成本逐漸降低,普通民眾就能廣泛享受量子通信帶來的巨大便利。
比如,隨著技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用普及,可以通過入戶光纖給每家每戶配一個(gè)量子密鑰機(jī),人們擁有“量子密鑰”手機(jī)的夢(mèng)想就可變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
一旦有人試圖竊取量子密鑰,使用者就會(huì)知曉,結(jié)合經(jīng)典加密方式就能保證通信的絕對(duì)安全。
中國領(lǐng)跑量子太空競(jìng)賽 有賴于“大科學(xué)”建設(shè)
在全球的量子通信競(jìng)賽中,中國雖然并不是起步最早的,但是在量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士潘建偉等人不懈努力下,目前中國在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“彎道超車”,并成為首個(gè)將自主研發(fā)的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星送入太空的國家。
事實(shí)上,早在數(shù)年前,星地量子通信的中國夢(mèng)想就已經(jīng)引發(fā)了世界的關(guān)注。 2012年8月9日,國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志以封面標(biāo)題形式發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室潘建偉團(tuán)隊(duì)的研究成果:他們?cè)趪H上首次成功實(shí)現(xiàn)了百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。
這一成果不僅刷新世界紀(jì)錄,有望成為遠(yuǎn)距離量子通信的“里程碑”,而且為發(fā)射全球首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。該成果入選《自然》雜志公布的“2012年度全球十大新聞亮點(diǎn)”。
中科院院士、中國科學(xué)院物理研究所研究員于淥在接受采訪時(shí)表示, 量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功結(jié)合下半年建成的“京滬干線”,我國將初步構(gòu)建一個(gè)廣域量子通信體系,這會(huì)解決很多實(shí)際的問題,并且為全球性的量子通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建打下基礎(chǔ),這將是一個(gè)新的突破。
于淥提到的“京滬干線”是由潘建偉團(tuán)隊(duì)牽頭承擔(dān)的世界上第一條遠(yuǎn)距離量子通信保密干線,將于今年下半年開通。“一個(gè)天地一體的全球化量子通信基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建成功后,能為未來的互聯(lián)網(wǎng)提供基于量子通信技術(shù)的安全保障,形成完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈和下一代國家主權(quán)信息安全生態(tài)系統(tǒng)。”潘建偉解釋說。
潘建偉認(rèn)為,能夠領(lǐng)跑國際量子太空競(jìng)賽,有賴于中國“大科學(xué)”項(xiàng)目建設(shè)的高效性。“實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星量子通信一直是國際上科技強(qiáng)國競(jìng)相追逐的目標(biāo)。比如,量子信息實(shí)驗(yàn)研究的先驅(qū)者、著名物理學(xué)家AntonZeilinger 研究組以及歐洲眾多的優(yōu)秀研究團(tuán)隊(duì)一直在與歐洲空間局商討建立以國際空間站為平臺(tái)的星地量子通信計(jì)劃。然而,歐空局緩慢的決策機(jī)制使得這一計(jì)劃一再拖延。”
而在我國,一方面,國家的高強(qiáng)度支持使得包括我們團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)快速推進(jìn)量子信息研究的發(fā)展;另一方面,在衛(wèi)星量子通信方向上出現(xiàn)重大突破跡象時(shí),中科院快速作出前瞻性決策,得以在國際上率先啟動(dòng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”。
“在國家的高強(qiáng)度支持下,我國形成了很強(qiáng)的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)儲(chǔ)備,培育了一批優(yōu)秀的研究團(tuán)隊(duì),在量子通信、量子計(jì)算等研究方向上產(chǎn)生了一批具有重要國際影響的研究成果。”
在潘建偉看來,中國給予“量子研究”的大力支持是其他國家無法比擬的:2000年以來中國經(jīng)濟(jì)高速增長,國家對(duì)科研經(jīng)費(fèi)的投入不斷加強(qiáng),成為科研創(chuàng)新的黃金時(shí)期。我國政府也高度重視量子信息領(lǐng)域的發(fā)展,《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》就將“量子調(diào)控研究”列入科技部四項(xiàng)“重大科學(xué)研究計(jì)劃”之一,中科院、科技部、基金委等科研主管部門對(duì)量子信息領(lǐng)域持續(xù)進(jìn)行著前瞻性、戰(zhàn)略性布局。
潘建偉:盼有生之年目睹量子互聯(lián)網(wǎng)的誕生
據(jù)了解,此次成功發(fā)射的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備,突破了一系列高精尖技術(shù),包括“針尖對(duì)麥芒”的星地光路對(duì)準(zhǔn),偏振態(tài)保持與星地基矢校正,量子光源載荷等關(guān)鍵技術(shù)。
潘建偉指出,它的成功研制,不僅是中國量子保密通信領(lǐng)域“殺手锏”技術(shù)研發(fā)的重大突破,實(shí)現(xiàn)了從跟隨創(chuàng)新到引領(lǐng)創(chuàng)新、從集成創(chuàng)新到原始創(chuàng)新的跨越,同時(shí)也是世界量子通信技術(shù)的重要?jiǎng)?chuàng)新,它有望使人類科技發(fā)展史上“最安全的通信手段”具備覆蓋全球的能力。
“量子是人類對(duì)自然界的能量最小單位,量子信息研究集多學(xué)科于一體,要想取得突破,必須擁有不同學(xué)科背景的人才。”回憶起剛回國建立實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候,潘建偉表示,當(dāng)時(shí)無論是研究水平還是人才儲(chǔ)備方面,國內(nèi)的基礎(chǔ)都很薄弱。
“因此我們?cè)诟鲊g奔波,與國際先進(jìn)小組保持密切的合作,不斷地取長補(bǔ)短,這是讓團(tuán)隊(duì)得以快速發(fā)展壯大的‘秘方’。潘建偉說,多年來,團(tuán)隊(duì)還一直有針對(duì)性地選送學(xué)生出國留學(xué),把他們送到量子信息研究的優(yōu)秀國際小組加以鍛煉。“近年來,這些年輕人悉數(shù)回國,使得我們的量子研究團(tuán)隊(duì)得到空前壯大,形成了一支特色鮮明、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的年輕研究隊(duì)伍。”
談到衛(wèi)星研制過程中遇到的困難,潘建偉說,各個(gè)載荷系統(tǒng)都遇到了很多難題,難以說哪個(gè)最大。一個(gè)具有代表性的難題是市面上現(xiàn)有的單光子探測(cè)器都無法滿足空間的高輻射環(huán)境要求。因?yàn)橛钪嫔渚€會(huì)對(duì)探測(cè)器的半導(dǎo)體晶格造成損傷,增加晶格缺陷,隨著晶格中缺陷的增多,器件性能出現(xiàn)急劇衰減。
“我們團(tuán)隊(duì)先從基本物理特性入手,在載荷資源和器件本身特性最大允許范圍內(nèi),提出了通過降低單光子探測(cè)器工作溫度、增加探測(cè)器屏蔽厚度等技術(shù)可以解決該問題。隨后實(shí)驗(yàn)上經(jīng)過艱苦攻關(guān),通過歐洲質(zhì)子加速器輻照測(cè)試,發(fā)現(xiàn)降低單光子探測(cè)器工作溫度和增加探測(cè)器屏蔽厚度的技術(shù)可以有效增加單光子探測(cè)器在軌工作壽命。”
“對(duì)于我們團(tuán)隊(duì)來說,衛(wèi)星的發(fā)射并不代表我們的努力就到此為止。”潘建偉表示,隨著中國科技的迅猛發(fā)展,他相信量子通信將在不到10年的時(shí)間里輻射千家萬戶。
“期盼在我有生之年,能親眼目睹以量子計(jì)算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯(lián)網(wǎng)的誕生。我相信中國科學(xué)家們做得到。”