中國(guó)將發(fā)全球首顆量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星

                               作者：aau            文章來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng)         2016年8月10日

8月中旬,如果氣象條件合適,中國(guó)將發(fā)射全球首顆“量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”,邁出量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的第一步。

此后,中國(guó)還將陸續(xù)發(fā)射衛(wèi)星,建成全球第一個(gè)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間量子通信的國(guó)家。今年下半年,京滬量子通信干道也將建成,屆時(shí)國(guó)內(nèi)將初步形成廣域量子通信體系。按照規(guī)劃,到2020年,中國(guó)將實(shí)現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā),屆時(shí)聯(lián)接亞洲與歐洲的洲際量子通信網(wǎng)也將建成。到2030年左右,中國(guó)將建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

各國(guó)圍繞量子信息科學(xué)展開(kāi)的科技競(jìng)賽已經(jīng)打響,除中國(guó)外,美國(guó)、加拿大和新加坡等國(guó)也在積極部署該領(lǐng)域的研究。

“十三五”科創(chuàng)規(guī)劃提出建設(shè)量子通信和量子計(jì)算重點(diǎn)科技項(xiàng)目

量子力學(xué)描述的是在單個(gè)原子或次原子粒子尺度上,物質(zhì)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(yīng),但量子行為則通常顯得奇異和反常。這些特殊的量子現(xiàn)象包括量子疊加 (系統(tǒng)同時(shí)包含所有的可能測(cè)量結(jié)果,一旦某個(gè)測(cè)量發(fā)生,則結(jié)果將為定值)和量子糾纏(多粒子的疊加態(tài),它們的屬性相互關(guān)聯(lián)影響)。

量子的特性打破了人們對(duì)正常世界的理解。目前量子信息領(lǐng)域的主要應(yīng)用方向:一是量子通信,二是量子計(jì)算。在量子通信領(lǐng)域,與其他許多先進(jìn)的前沿科技領(lǐng)域相比,中國(guó)已經(jīng)處在全球領(lǐng)先地位。

8月8日,國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》)中,更是提到部署量子通信和量子計(jì)算的重點(diǎn)科技項(xiàng)目。《規(guī)劃》指出,面向2030年,再選擇一批體現(xiàn)國(guó)家戰(zhàn)略意圖的重大科技項(xiàng)目,力爭(zhēng)有所突破。從更長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略需求出發(fā),堅(jiān)持有所為、有所不為,力爭(zhēng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)、深?？臻g站、量子通信與量子計(jì)算、腦科學(xué)與類腦研究等重點(diǎn)方向率先突破。

在量子通信和量子計(jì)算重大科技項(xiàng)目里,《規(guī)劃》稱,要研發(fā)城域、城際、自由空間量子通信技術(shù),研制通用量子計(jì)算原型機(jī)和實(shí)用化量子模擬機(jī)。

量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星

今年46歲的浙江東陽(yáng)人潘建偉,是國(guó)內(nèi)量子通信的領(lǐng)軍人物。2004年,潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了五光子糾纏和終端開(kāi)放的量子態(tài)隱形傳輸,這一成果被《自然》雜志發(fā)表,并同時(shí)入選英國(guó)物理學(xué)會(huì)和美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選出的年度國(guó)際物理學(xué)重大進(jìn)展。

潘建偉的團(tuán)隊(duì)于2007年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了安全通信距離超過(guò)100公里的光纖量子密鑰分發(fā),2008年實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò),2012年建成首個(gè)規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)。

潘建偉還是此次量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射的主要負(fù)責(zé)人之一。據(jù)團(tuán)隊(duì)成員陸朝陽(yáng)介紹,若首枚量子通信衛(wèi)星順利發(fā)射成功,中國(guó)將發(fā)射更多的衛(wèi)星。若要實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的安全通信網(wǎng)絡(luò),大約需要20顆衛(wèi)星。

左邊為陸朝陽(yáng),右邊為潘建偉

《Nature》報(bào)道稱,中國(guó)量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的核心是一個(gè)能夠產(chǎn)生糾纏光子對(duì)的晶體,這些光子對(duì)無(wú)論相距多遠(yuǎn),它們的屬性仍然保持糾纏。衛(wèi)星的首個(gè)任務(wù)是向北京和維也納的地面站發(fā)射這些糾纏光子對(duì),使用它們生成密鑰。

這項(xiàng)任務(wù)為期兩年,團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃在此期間執(zhí)行名為貝爾測(cè)試的統(tǒng)計(jì)測(cè)量,以證明相距1200公里的粒子之間存在糾纏。根據(jù)量子理論預(yù)測(cè)任何距離之間都存在糾纏,但需要貝爾測(cè)試實(shí)際驗(yàn)證。此外,團(tuán)隊(duì)還將嘗試“隱形傳輸”量子態(tài),通過(guò)使用糾纏光子對(duì)以及以更加常規(guī)方式傳輸?shù)男畔?在新的位置重構(gòu)光子的量子態(tài)。

潘建偉說(shuō)希望通過(guò)量子通信研究,從初步實(shí)現(xiàn)局域量子通信網(wǎng)絡(luò),到實(shí)現(xiàn)多橫多縱的全球范圍量子通信網(wǎng)絡(luò),以保證信息傳輸?shù)慕^對(duì)安全;通過(guò)量子計(jì)算研究,為大規(guī)模計(jì)算難題提供解決方案,實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)時(shí)代信息的有效挖掘;通過(guò)量子精密測(cè)量研究,實(shí)現(xiàn)新一代定位導(dǎo)航等等。

“量子通信和量子計(jì)算都是屬于量子調(diào)控技術(shù)范圍。”潘建偉說(shuō),“目前,全世界計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力都非常弱?！?

潘建偉預(yù)測(cè),不到十年左右的時(shí)間,他們就能夠造出一種專用的量子計(jì)算機(jī)或者叫做量子模擬機(jī),在某些計(jì)算能力上要比目前最快的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快百億倍甚至更多。

各國(guó)備戰(zhàn)量子信息技術(shù)

除了中國(guó)在緊鑼密鼓地部署量子通信,尋求國(guó)際領(lǐng)先地位外,其他國(guó)家也在積極推進(jìn)量子信息科學(xué)的研究。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)(NSTC)在7月份,發(fā)布了《推進(jìn)量子信息科學(xué):國(guó)家的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》的報(bào)告。報(bào)告中,美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)對(duì)量子信息科學(xué)的重要性,前瞻性進(jìn)行了闡述,還介紹了美國(guó)在量子信息科學(xué)的研究發(fā)展?fàn)顩r。該委員會(huì)認(rèn)為量子計(jì)算能有效推動(dòng)化學(xué)、材料科學(xué)和粒子物理發(fā)展,未來(lái)可能最終會(huì)顛覆眾多科學(xué)領(lǐng)域,人工智能也當(dāng)屬其中之一。

美國(guó)政府隨即在官網(wǎng)發(fā)文,督促學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府盡快就量子信息科學(xué)(QIS)議題進(jìn)行交流,以保證量子信息研發(fā)的關(guān)鍵需求得到滿足。目前,美國(guó)科技公司谷歌、IBM等已經(jīng)在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域有所投入。

歐洲國(guó)家也不甘自己在量子領(lǐng)域落后。今年4月份,歐盟委員會(huì)對(duì)外宣布,將斥資10億歐元投入量子技術(shù),希望這個(gè)項(xiàng)目“將會(huì)讓歐洲處于第二次量子革命的前沿,未來(lái)10年在科學(xué)、產(chǎn)業(yè)和社會(huì)方面帶來(lái)變革性的進(jìn)展”。

加拿大也是量子領(lǐng)域不可忽視的力量。據(jù)《Nature》新聞雜志報(bào)道,加拿大的一直科研團(tuán)隊(duì)正提出在地面生成糾纏光子對(duì),然后將其中部分發(fā)射至重量不到30公斤的微型衛(wèi)星上。這比在太空生成光子便宜,加拿大量子加密與科學(xué)衛(wèi)星(QEYSSat)團(tuán)隊(duì)成員,滑鐵盧大學(xué)物理學(xué)家 Brendon Higgins 說(shuō),但是將光子發(fā)送到運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星上將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃首先在飛機(jī)上使用光子接收器測(cè)試該系統(tǒng)。

除此之外,新加坡國(guó)立大學(xué)和英國(guó)斯特拉斯克萊德大學(xué)合作,利用重量為5公斤的衛(wèi)星(也稱為立方體衛(wèi)星)開(kāi)展量子實(shí)驗(yàn)。去年,該團(tuán)隊(duì)發(fā)射了一顆立方體衛(wèi)星,在軌道中產(chǎn)生并測(cè)量“關(guān)聯(lián)”光子對(duì);他們希望在明年發(fā)射可以產(chǎn)生完全糾纏光子對(duì)的裝備。

新加坡國(guó)立大學(xué)物理學(xué)家Alexander Ling在接受《Nature》的采訪時(shí)認(rèn)為,立方體衛(wèi)星單個(gè)耗費(fèi)僅10萬(wàn)美元,使太空量子通信易于實(shí)現(xiàn)。

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