潘建偉最新工作：量子通信技術(shù)實(shí)用化飛躍|解讀
編者按：
“這是十分令人激動(dòng)的消息?！?/span>
“這兩篇論文的發(fā)表意味著潘建偉教授和他的研究團(tuán)隊(duì)順利完成了三項(xiàng)量子實(shí)驗(yàn)的展示，這些實(shí)驗(yàn)將會(huì)是全球任何基于空間的量子網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分。”
《自然》雜志物理科學(xué)主編卡爾·齊姆勒斯（Karl Ziemelis）談到的中國(guó)“墨子號(hào)”量子通信衛(wèi)星的科學(xué)實(shí)驗(yàn)成果，8月10日凌晨在《自然》雜志在線發(fā)表了兩篇論文。
一篇論文展示了科學(xué)家用相互糾纏的光子安全地傳送了至關(guān)重要的量子密鑰，審稿人稱贊該成果是 “令人欽佩的成就”、“本領(lǐng)域的一個(gè)里程碑”。
另一篇論文展示了如何用處于糾纏態(tài)的光子來(lái)實(shí)現(xiàn)量子力學(xué)中最著名卻神秘莫測(cè)的方面——量子隱形傳態(tài)。審稿人稱贊“這些結(jié)果代表了遠(yuǎn)距離量子通信持續(xù)探索中的重大突破”, “這個(gè)目標(biāo)非常新穎并極具挑戰(zhàn)性，它代表了量子通信方案現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)中的重大進(jìn)步”。
至此，“墨子號(hào)”順利完成了預(yù)設(shè)的全部三大科學(xué)目標(biāo)（另一工作此前已經(jīng)發(fā)表。星地量子糾纏分發(fā)，實(shí)現(xiàn)大尺度量子非定域性檢驗(yàn)[Science 356, 1140 (2017)]）。《知識(shí)分子》特邀請(qǐng)清華大學(xué)物理系教授王向斌解讀此次“墨子號(hào)”兩項(xiàng)最新研究工作的科學(xué)內(nèi)涵。
撰文｜王向斌（清華大學(xué)物理系教授）
責(zé)編｜李曉明
中國(guó)“墨子號(hào)”量子通信衛(wèi)星在軌運(yùn)行剛滿一年，已經(jīng)成功實(shí)施了量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)等重大科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
星地量子通信的目的是為了突破量子通信的距離限制，從而大幅度增強(qiáng)量子通信的實(shí)用性。
作為量子通信的兩大主要內(nèi)容，量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典通信所無(wú)法完成的任務(wù)。量子密鑰分發(fā)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全保密通信，即便整個(gè)通道都被竊聽(tīng)者控制，無(wú)論竊聽(tīng)者有多么強(qiáng)大的計(jì)算能力，包括量子計(jì)算機(jī)在內(nèi)。事實(shí)上，這個(gè)安全性及其嚴(yán)格證明基于量子物理學(xué)基本原理，與算法復(fù)雜度無(wú)關(guān)。而量子隱形傳態(tài)則是要實(shí)現(xiàn)一種神奇詭異的量子通信：在預(yù)置糾纏分發(fā)的基礎(chǔ)上，可以傳遞一個(gè)任意未知的量子態(tài)而無(wú)需傳輸該量子態(tài)的物理載體本身。這個(gè)東西英文叫做quantum teleportation, 好像電報(bào)一樣只傳信息不傳物理載體，不同的是，在這里，“電報(bào)”的發(fā)送者和接收者都無(wú)需知道“電報(bào)”內(nèi)容卻能完成電報(bào)的信息傳輸。
能完成這些任務(wù)，是因?yàn)槔昧藛瘟孔討B(tài)的性質(zhì)。然而單量子態(tài)從原理上無(wú)法進(jìn)行信號(hào)放大。普通傳輸介質(zhì)，無(wú)論是地表自由空間或者光纖，其損耗顯著。大體上每15公里損耗一半。這種損耗限制了量子通信距離（或者說(shuō)，嚴(yán)重降低量子通信成碼率），也成為制約量子通信實(shí)用化的瓶頸。以衛(wèi)星為節(jié)點(diǎn)，原則上可以徹底突破量子通信的距離限制。地表的光損耗來(lái)源于空氣的吸收，而星地通信中，大氣層外太空沒(méi)有吸收，只有約10公里等效厚度的大氣吸收。這樣，以衛(wèi)星為節(jié)點(diǎn)的量子通信成碼率可以突破傳統(tǒng)的距離限制。
? 星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。2017年5月拍攝于河北興隆。
剛剛發(fā)表于Nature雜志的論文顯示，中國(guó)“墨子號(hào)”衛(wèi)星所實(shí)現(xiàn)的星地量子密鑰分發(fā)，在軌成碼率超越了過(guò)去方法20個(gè)數(shù)量級(jí)。
道理很清楚，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)要克服重重困難。量子通信要求使用單量子態(tài)。以量子密鑰分發(fā)為例，用強(qiáng)光的經(jīng)典光通信肯定不行，那樣等于對(duì)每個(gè)密鑰制成了無(wú)數(shù)多個(gè)備份發(fā)送，對(duì)于每個(gè)脈沖，竊聽(tīng)者只要取下一個(gè)光子則完全掌握了所有“密鑰”?！澳犹?hào)”衛(wèi)星采用弱光+誘騙態(tài)方法。對(duì)于發(fā)射的所有弱光脈沖（平均光子數(shù)為每脈沖零點(diǎn)幾個(gè)光子），統(tǒng)計(jì)上來(lái)說(shuō)，弱光脈沖中的非真空脈沖等價(jià)于說(shuō)，有些是安全的單光子脈沖，有些是不安全的多光子脈沖。盡管我們不知道哪些脈沖是單光子脈沖，但是，采用誘騙態(tài)方法，我們卻可以等效地只用了其中單光子脈沖成碼，其安全性等價(jià)于采用了理想的單光子脈沖源。然而，從衛(wèi)星上把單光子脈沖打到地面探頭，這在技術(shù)上難度是驚人的，可以把它比作千里之外針尖對(duì)麥芒。這個(gè)技術(shù)要求遠(yuǎn)非強(qiáng)光脈沖星地通信的技術(shù)要求可比。最近，日本的衛(wèi)星采用了強(qiáng)光（每脈沖平均光子數(shù)位一億）通信。這相當(dāng)于把每個(gè)密鑰比特以一億個(gè)備份同時(shí)發(fā)出，當(dāng)然也就無(wú)密可保了。理論上，這種做法可以讓上億竊聽(tīng)者獲取密鑰。中國(guó)“墨子號(hào)”量子通信衛(wèi)星采用了弱光+誘騙態(tài)方法，確保了量子保密通信的核心科學(xué)價(jià)值：安全性。
? 地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。2017年4月拍攝于西藏阿里。
“墨子號(hào)”衛(wèi)星成功實(shí)現(xiàn)的另外一項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，量子隱形傳態(tài)，同樣需要前述的高難度技術(shù)。并且，由于接收端在衛(wèi)星上，而星上望遠(yuǎn)鏡口徑受限，這等同于要克服大于量子密鑰分發(fā)的通道損耗問(wèn)題。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成功完成，也進(jìn)一步說(shuō)明了，中國(guó)“墨子號(hào)”量子通信衛(wèi)星的科學(xué)技術(shù)水平處于世界遙遙領(lǐng)先的地位。如此巨大的成就，來(lái)源于研究團(tuán)隊(duì)十多年的努力耕耘。
“墨子號(hào)”衛(wèi)星科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，是量子信息通向?qū)嵱没年P(guān)鍵飛躍?！澳犹?hào)”衛(wèi)星不僅僅是某個(gè)團(tuán)隊(duì)的成功。那是中國(guó)的量子星，也是人類挑戰(zhàn)量子技術(shù)極限的巨大成就。
參考文獻(xiàn)：
1.Satellite-to-ground quantum key distribution，Nature(2017) ，doi:10.1038/nature23655
2.Ground-to-satellite quantum teleportation，Nature(2017)，doi:10.1038/nature23675
量子密鑰誘騙態(tài)方法創(chuàng)建人之一，現(xiàn)任清華大學(xué)物理系教授，濟(jì)南量子技術(shù)研究院院長(zhǎng)，教育部中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心成員，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者，教育部“長(zhǎng)江學(xué)者”特聘教授。提出的4強(qiáng)度MDIQKD優(yōu)化理論方法獲得實(shí)驗(yàn)證實(shí)，使量子密鑰分發(fā)首次突破400公里，至今保持著光纖量子密鑰分發(fā)安全距離的世界紀(jì)錄。
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