建设量子“京沪干线”,梦想“瞬间移动”

来源: 解放日报

发布日期: 2016-01-07 09:15:20

本文介绍了量子通信和量子隐形传态的原理及其在中国的研究进展,特别是中国科学技术大学潘建伟院士团队在这一领域的突破性成果。文章还提到我国即将发射的全球首颗“量子科学实验卫星”和正在建设的“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网,这些工程将推动量子通信技术的发展和应用。

近日,英国物理学会新闻网站《物理世界》公布了2015年度全球物理学界的10项重大突破。中国科学技术大学潘建伟院士、陆朝阳教授等完成的“多自由度量子隐形传态”名列榜首,被评为“年度突破”。这是《物理世界》首次将这一殊荣授予中国科学家在本土做出的成果。

2016年我国将发射全球首颗“量子科学实验卫星”,全球首条量子通信保密干线——“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网也将建成。在上海政府部门、科研机构的大力支持和参与下,量子通信战略性新兴产业正在孕育。

要介绍量子通信和量子隐形传态,还得从量子力学讲起。这是一个与牛顿力学等经典力学差异很大的物理学分支,由普朗克、爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森堡、薛定谔等物理学家创立,是迄今为止描述微观世界最准确的理论。

中科大专家介绍,一个物理量如果不能连续变化,只能取一些分立的值,我们就说这个量是量子化的。宏观世界里的物理量似乎都能连续变化,但在微观世界,许多物理量是量子化的。

量子力学描述世界的语言与经典力学有根本区别。经典力学描述一个粒子的状态,会给出它在什么位置、具有什么动量;量子力学给出的则是态矢量。简而言之,态矢量是一种概率。量子力学对粒子状态的描述都是概率——这个粒子有可能在这里,也可能在那里,没有确定的位置。

1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出一个名为“EPR”(三人姓名的首字母)的思想实验:制备A、B两个粒子的“圆”态,使它们在这一状态中的某个性质(如电子的自旋角动量、光子的偏振)相加等于零,而单个粒子的这个性质不确定;再将它们在空间上分开得很远(例如几光年);随后测量粒子A的这个性质。当测得A是“上”,那么测量者立刻就知道B的性质是“下”。

1993年,科学家提出,利用这种鬼魅似的超时空关联,可以进行量子隐形传态——把粒子A的未知量子态传输给远处的粒子B,让B的状态变成A的最初状态。这种技术一旦实现,有助于实现无条件安全的超远距离保密通信。所谓“无条件安全”,是指原理上不可破译,无论窃听者的能力有多么强大。

预计2016年7月,我国将发射“量子科学实验卫星”,率先实现高速星地量子通信。这颗由中科大、中科院上海技术物理研究所、上海微小卫星工程中心、中科院成都光电技术研究所联合研制的卫星,将在国际上率先开展空间尺度的量子保密通信、纠缠分发和超远距离的量子隐形传态实验。

与此同时,地面上的量子通信网络也在紧锣密鼓的建设中。国家发改委立项的“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网工程,将于明年完成验收并交付使用。其长度达2000公里,有10多个节点,从北京出发,经过济南、合肥,到达上海。利用这一高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络,京沪两地的金融机构可以进行保密通信,包括电话、视频通话、电子邮件,达到“无条件安全”级别。

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