中国团队在量子中继与网络技术上实现新突破

来源:CNBETA  责任编辑:小易  

技术标准奠定了基础。 基于卫星平台的量子通信是构建覆盖全球量子通信网络最为可行 量子卫星在中国和奥地利之间实现洲际量子密钥分发。 在实验中,“墨子号”分别与河

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团队表示,学术界广泛采用的量子通信网络发展路线是通过基于卫星的自由空间信道实现广域覆盖,同时利用光纤网络实现城域及城际地面覆盖。然而光子在光纤上的节点间传输时,受限于光纤的固有衰减,目前最远的点对点地面安全通信距离仅为百公里量级。

日前,由中国科大和清华大学组成的联合小组在量子态隐形传输技术上取得的新突破,可 从而实现类似‘超时空穿越’的通信方式。”彭承志说。 据介绍,量子态隐形传输一直

研究负责人之一、中国科学技术大学的潘建伟教授告诉新华社记者:“要拓展量子通信的距离,一个方法是将点对点传输改为分段传输,并采用量子中继技术进行级联,即将整个通信线路分几段,每段损耗都较小,再通过量子中继器将这几段连接起来,这使得构建全量子网络成为可能。”

突破了高速量子密钥分发、高速高效率单光子探测、可信中继传输和大规模量子网络管 在世界上首次实现卫星和地面间的量子通信。报道称,京沪干线北京接入点将与“墨子号

然而,受限于光与原子纠缠亮度低等技术瓶颈,此前最远光纤量子中继仅为公里量级。为实现远距离量子存储器间的连接,团队克服了多项技术挑战。例如,他们自主研发了周期极化铌酸锂波导,通过非线性差频过程,将存储器的光波长由近红外转换至通信波段,经过50公里的光纤仅衰减至百分之一以上,效率相比之前提升了16个数量级。

量子保密通信方案+应用已经具备产业化条件。在2015阿里云栖大会上,阿里云与中科院 量子通信网络;(2)通过加中继器——构建城际网络;(3)通过卫星——实现洲际、星际网络

实验中,研究团队结合多项新技术,成功在两个由50公里长光纤连接的量子存储器间实现双节点的量子纠缠。这一距离足以用于连接两座城市。

很容易让人误解,因为量子在通信过程中仅起到加密作用。 打个比方, 中国要发送情报 技术只能实现百公里量级的传播。 那么怎么办呢?最可能实现的就是通过卫星来做中继

潘建伟说:“作为原理性验证,这个实验中的两个量子存储器是在同一实验室内,通过50公里长的光纤盘连接;下一步要在空间真正分离的系统中开展研究,推动这项技术的实际应用。”

而仍然由于技术的限制,现在地面中继能保证中继绝对安全的量子中继尚不能实用,而实 量子通信本身的技术限制,也使得其在应用上收到一定的限制,只有在中继站能与通信双

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量子通信和量子计算机原理一样吗

1982年,法国物理学家Alain.Aspect和他的小组通过实验证实了微观粒子“量子纠缠”现象确实存在,从而证实了超距作用(爱因斯坦的幽灵)的存在,即任何两种物质之间,不管距离多远,都有可能相互影响,不受四维时空的约束。

  1993年,在量子纠缠理论的基础上,美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信的概念。量子通信是由量子态携带信息的通信方式,其利用光子等基本粒子的量子纠缠效应实现保密通信过程。随后,一个由6位来自不同国家的科学家组成的物理学国际小组基于量子纠缠理论,提出了利用经典与量子相结合的方式实现量子*传输的方案。即将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方,把另一个粒子制备到该量子态上,而原来的粒子仍留在原处,这是量子通信最初的方案。

  1997年,在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作,首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”,作为信息载体的光子本身并不被传输。

  2008年,一支意大利和奥地利科学家小组宣布,他们首次识别出从地球上空1500公里处的人造卫星上反射回地球的单批光子。2012年,中国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子*传态和纠缠分发,国际权威学术期刊《自然》杂志称这一成果基本上解决了量子通信卫星的远距离信息传输问题,是“远距离量子通信的里程碑”。

  我国是世界上量子通信应用最早的国家。2009年5月,中科大在安徽省芜湖市试运行世界上首个量子政务网。2012年3月,合肥城域量子通信试验示范网投入使用,该网覆盖合肥市主城区,通过6个接入交换和集控站,连接40组量子电话用户和16组量子视频用户,用户主要包括政府机关、金融机构、医疗机构、军工企业及科研院所等。2014年,世界第一条量子通信保密干线启动建设,该干线全长2000多千米,连接北京与上海,贯穿山东济南、安徽合肥等地,是千公里级高可信、可扩展的广域光纤量子通信网络,预计2016年下半年建成。

  量子通信的研究方向与应用

  量子通信技术主要研究量子*传态和量子秘钥分发。量子*传态利用量子纠缠将量子态传送至任意位置,具有“不可探测、无空间约束”的特点,在原理上绝对安全。但是基于*传态的量子通信目前只存在概念中,尚无实际应用的例子。国内权威专业团队也表示,若无*性的突破,该技术在近几十年内都没有实用化的可能。所以,目前的量子通信通常特指基于量子秘钥分发技术的安全保密通信。其通信过程与经典的加密通信基本相同,都是由信息加密、信息传输、信息解密三个步骤组成,不同之处在于,加解密的过程中将普通密钥换成量子密钥,而信息的传输一般是通过经典方式(如光纤、卫星等)来进行。在目前以及不远的将来,量子通信的应用方式主要有以下三种。

  基于量子光纤。现今已建成的光纤量子城域网和正在建设的2000公里“京沪干线”均采用的是该方式。即专门铺设光纤作为量子密钥分发的主要途径。由于光纤传输过程中,光量子的能量有衰减,所以每隔一段距离就需要加入专用中继设备,让光量子能够传输得更远。

  基于量子卫星。当需要进行量子密钥分发的距离过大或不具备建设专用光纤线路条件的时候,可以通过专用卫星作为中继进行传输。预计在2016年7月发射的量子卫星就将对该方式进行试验。500公斤重的量子卫星,由量子密钥通信器、量子纠缠发射器、纠缠源、处理单元和激光通信器构成,卫星将在中国和欧洲的两个地面站之间中继传输量子密钥。项目的首席科学家潘建伟院士表示,如果该试验成功,中国将发射多颗卫星,于2020年建成连接亚洲和欧洲的量子密钥分配网络,2030年建成全球化的广域量子通信网络。

  基于移动量子存储器。国外研究机构已经研制出手持式量子存储及加解密设备,用来存储制备好的量子密钥。采用这种方式,需要进行保密安全通信的场合,仅需在发送端和接收端配发相互纠缠配对的量子密钥存储设备,接入通信链路,对信息进行加解密处理。加密后的密文可以通过电台、卫星、甚至民用移动通信网络(移动、联通、电信等)进行通信。这种方式对于军队与国防安全领域具有更重要的意义。

  对量子通信研究运用的思考

  量子保密通信在国外均处于实验室技术研究阶段,包括美国在内,没有进入实际工程应用,这其中的原因值得深思。除中国外,世界上其他研究量子通信的机构和国家都没有进行大规模工程应用,包括美国。在美国,早在2003年,DARPA和NIST(美国国家标准局)制造出世界上第一台QKD(量子密钥分发)实验床,此后,公开的信息中再也没有出现过量子通信方面的进展。这就产生了几种猜测:一是美国政府将量子通信技术的进展作为核心机密,外界无法获得与之有关的任何线索;二是美国政府暂未将量子通信技术作为重点发展对象。关于第一点,我们只能凭借猜测。关于第二点倒是有几个佐证。众所周知,美国如果要发展某项新技术,会在其各类“规划”中有所体现,如大数据技术、激光武器技术等。而且,如果要将某项新技术大规模工程应用,其所做的第一件事情必然是定标准或协议。如当年,DARPA在互联网领域就是通过定下各种互联网通用协议,从而确立了美国在信息领域的霸主地位。时至今日,美国依然没有为量子保密通信定标准的打算,反而投入力量进行后量子加密技术研究。

  量子保密通信技术从原理上来说是“绝对安全”的,但是“有人参与的量子通信”却存在各种问题。量子保密通信并非无懈可击,例如通信链路上的身份认证问题。目前我国应用的量子通信主要依靠光纤网络传输密钥,当距离足够远时,需要进行信号中继。澳大利亚一研究团队已经研发出通过信号中继加入自己信息的技术,可以向目标发送任何信息,而由于量子通信过程中没有相应的身份认证过程,目标端无法分辨真伪。随着研究的深入,目前的量子保密通信技术肯定会有更多的问题被发现。

  量子保密通信在达到核心理论、核心技术、核心元器件三方面完全自主化之前,投入需谨慎。有专家指出,到目前为止,我国量子通信领域的元器件70%~80%依赖进口,做科学试验没有问题,但这样是无法保证其产业健康发展的,安全性也有问题。

  量子保密通信技术只是实现安全通信的一种手段,并非不可替代。现有的量子通信严格意义上只是一种密钥分发技术,就整个通信系统来说,其架构还是经典的,并非无懈可击。量子通信技术只能对整个通信系统中的部分环节起作用,要实现安全通信,完全可以从其他环节入手,或直接在整体架构上进行革新。例如,美国没有大力发展量子通信,可能就是认为经典密码体系现阶段足以满足其通信安全的需求。

量子光学论是什么

量子光学,quantum optics,是以辐射的量子理论研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的学科。到了19世纪,特别在光的电磁理论建立后,在解释光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等与光的传播有关的现象时,光的波动理论取得了完全的成功(见波动光学)。19世纪末和20世纪初发现了黑体辐射规律和光电效应等另一类光学现象,在解释这些涉及光的产生及光与物质相互作用的现象时,旧的波动理论遇到了无法克服的困难。1900年,M.普朗克为解决黑体辐射规律问题提出了能量子假设,并得到了黑体辐射的普朗克公式,很好地解释了黑体辐射规律(见普朗克假设)。1905年,A.阿尔伯特·爱因斯坦提出了光子假设,成功地解释了光电效应。阿尔伯特·爱因斯坦认为光子不仅具有能量,而且与普通实物粒子一样具有质量和动量(见光的二象性)。1923年,A.H.康普顿利用光子与自由电子的弹性碰撞过程解释了X射线的散射实验(见康普顿散射)。与此同时,各种光谱仪的普遍使用促进了光谱学的发展,通过原子光谱来探索原子内部的结构及其发光机制导致了量子力学的建立。所有这一切为量子光学奠定了基础。20世纪60年代激光的问世大大地推动了量子光学的发展,在激光理论中建立了半经典理论和全量子理论。半经典理论把物质看成是遵守量子力学规律的粒子集合体,而激光光场则遵守经典的麦克斯韦电磁方程组。此理论能较好地解决有关激光与物质相互作用的许多问题,但不能解释与辐射场量子化有关的现象,例如激光的相干统计性和物质的自发辐射行为等。在全量子理论中,把激光场看成是量子化了的光子群,这种理论体系能对辐射场的量子涨落现象以及涉及激光与物质相互作用的各种现象给予严格而全面的描述。对激光的产生机理,包括对自发辐射和受激辐射更详细的研究,以及对激光的传输、检测和统计性等的研究是目前量子光学的主要研究课题。 2005年,近代量子光学的奠基人、美国哈佛大学著名物理学家格劳伯(Glauber)教授荣获了诺贝尔物理奖,它深刻地反映出量子光学在当代科学发展中发挥着相当重要的作用。 1925年,格劳伯生于美国纽约。1949年,24岁的格劳伯从美国哈佛大学获得物理学博士学位。1963年,格劳伯提出自己的“相干性量子理论”,第一次将爱因斯坦的量子论用在光学领域,不仅解决了一些基础性的问题,而且奠定了量子光学的基础,开创了一门全新的学科。此后又在《物理评论》等杂志上发表了几篇相关论文,奠定了量子光学学科的理论基础,被美誉为″量子光学之父″。 2005年10月4日,80岁的格劳伯与约翰?霍尔、特奥多尔?汉施一起,获得诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学委员会主席斯温伯格说,格劳伯研究的结果对我们在现代理解光行为有深刻意义。他是能够回答烛光与激光到底有什么本质区别的人。量子光学的一大成就是激光,而激光可以说是人类历史上最伟大的发明之一。日常生活中,在医院、工厂、学校到处可见激光的影子,在家庭里使用的DVD播放器、计算机、数码相机中也都有激光器。 下面从量子信息、玻色-爱因斯坦凝聚和量子调控三个方面来展望量子光学的发展。 1.量子信息。量子信息是量子力学与信息科学交叉融合的新兴学科,目前已成为世界关注的热门研究领域。量子信息可以突破现有信息技术的物理极限,开拓出新的信息功能,为信息科学的持续发展提供新的原理和方法。其中,量子密码特别是在光纤量子密钥分配方面的研究已取得重大突破,其目前的研究方向是低误码率、高比特率、网络化和远程传输,以及研究可控单光子源和红外单光子探测技术等;量子因特网是基于量子纠缠的量子通信网络,目前仍然处于单元技术的基础研究阶段,最近“量子中继”这一关键技术的研究取得重要进展,我国年青学者段路明教授提出运用原子系综实现量子中继的方案,引起科学界的高度兴趣;量子计算机的研究仍然处于基础阶段,寻找物理上可扩展的具有容错能力的“量子芯片”是世界各国科学家当前奋斗的方向。目前主要研究兴趣是固态量子计算和基于量子光学的量子计算两个方向。 2.玻色-爱因斯坦凝聚。BEC的发生不需要粒子间的相互作用,是一种纯粹的宏观量子力学现象。文章阐述了玻色-爱因斯坦凝聚的过程,并解释了其实现的条件。第一次观测到BEC而获得诺贝尔奖的Wolfgang Ketterle教授认为,BEC是许多宏观粒子现象的核心,可以给出量子漩涡、量子长程关联等的微观图像,量子化的漩涡在超流和超导中都扮演了重要的角色。另外,通过一些办法可以使一个BEC凝聚体的两部分产生干涉,这种干涉还导致了原子激光的产生。文章对BEC的发展进行了展望,BEC的实现目前只在囚禁原子气体和液氦中成功,难以得到实际应用,探索新的BEC系统是一个富有挑战性的工作。 3.基于量子光学的量子态控制。文章指出对基于量子光学的量子态控制进行研究的重要意义。广义上,量子态控制是指实现量子态的控制演化,目前主要指光子、原子、离子态和量子点等之间的相互转换和相互操作。激光冷却和电磁感应透明是量子态控制的重要基础。激光冷却的实现有华人科学家朱棣文的杰出贡献(获1997年诺贝尔奖),这个技术目前已得到广泛的应用。电磁感应透明是量子光学的新进展,文章阐述了该现象的原理及其类似的一些现象 .

国外黑客声称已掌握破解量子通讯的技术 量子通讯还安全吗

量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性,不但在*、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景,而且逐渐走进人们的日常生活。为了让量子通信从理论走到现实,从上世纪90年代开始,国内外科学家做了大量的研究工作。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来,美国国家科学基金会和国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究,欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究,研究项目多达12个,日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。我国从上世纪80年代开始从事量子光学领域的研究,近几年来,中国科学技术大学的量子研究小组在量子通信方面取得了突出的成绩。2003年,韩国、中国、加拿大等国学者提出了诱骗态量子密码理论方案,彻底解决了真实系统和现有技术条件下量子通信的安全速率随距离增加而严重下降的问题。2006年夏,我国中国科学技术大学教授潘建伟小组、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、欧洲慕尼黑大学—维也纳大*合研究小组各自独立实现了诱骗态方案,同时实现了超过100公里的诱骗态量子密钥分发实验,由此打开了量子通信走向应用的大门。2008年底,潘建伟的科研团队成功研制了基于诱骗态的光纤量子通信原型系统,在合肥成功组建了世界上首个3节点链状光量子电话网,成为国际上报道的绝对安全的实用化量子通信网络实验研究的两个团队之一(另一小组为欧洲联合实验团队)。2009年9月,潘建伟的科研团队正是在3节点链状光量子电话网的基础上,建成了世界上首个全通型量子通信网络,首次实现了实时语音量子保密通信。这一成果在同类产品中位居国际先进水平,标志着中国在城域量子网络关键技术方面已经达到了产业化要求。全通型量子通信网络是一个5节点的星型量子通信网络,克服了量子信号在商用光纤上传输的不稳定性是量子保密通信技术实用化的主要技术障碍,首次实现了两两用户间同时进行通信,互不影响。该网络用户间的距离可达20公里,可以覆盖一个中型城市;容纳了互联互通和可信中继两种重要的量子通信组网方式,并实现了上级用户对下级用户的通信授权管理。该成果首次全面展示和检验了量子通信系统组网和扩展的能力,标志着大规模可扩展网络量子通信技术的成熟,将量子通信实用化和产业化进程又向前推进了一大步。据称,潘建伟团队将与中国电子科技集团公司第38研究所等机构合作,在合肥市及周边地区启动建设一个40节点量子通信网络示范工程,为量子通信的大规模应用积累工程经验。 展开

67为什么要建设天地一体化的量子通信网络

因为有衰减,量子保密通信通过地面只能传输百公里,需要中继,真正的量子中继还不完善,而天地链路的损耗很小,通过卫星可以实现很远两点的量子通信

中国建成全球首条量子通信商用干线是怎么回事?

全球首条量子通信商用干线——沪杭干线于近日正式全线接通,将实现杭州和上海两地间的量子安全级别语音电话、视频电话、文件传输业务。这是从浙江神州量子通信技术有限公司获得的消息,神州量子公司是该干线承建方,也是市科创园内企业。

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据嘉兴在线3月10日消息,据了解,沪杭量子通信商用干线总长260公里,总投资1.7亿元,途经上海秀浦路、漕河泾、大港、嘉兴东、桐乡、杭州6个中继站。

“由于作为信息载体的单光子不可分割、量子状态不可克隆,可以实现抵御任何窃听的密钥分发,进而能保证用其加密的内容不可破译。”浙江神州量子通信技术有限公司常务副总裁钱欣表示,除了绝对的安全性以外,量子通信还具有容量大、速度快等优点,理论上可以传输无限量的消息,量子通信将永久改变加密学,杭沪两地之间政府部门和企业的海量信息将在其中来去如影,并且是“无条件”安全。

工信部信息通信发展司负责人表示,沪杭量子通信商用干线作为全球第一条量子通信商用干线,标志着量子通信产业化时代的到来,拉开了量子通信产业市场化运营的序幕。目前,沪杭干线运营方正与政府部门、银行、企业等进行积极的业务洽谈。钱欣说,未来该干线将接入量子通信京沪干线,更多的地域干线和主干线会联通成为量子通信网络。在此基础上,各地方的量子通信城域网又会接入干线,逐步形成四通八达的量子通信网络。

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作为事关国家信息和国防安全的前沿技术,量子通信已被正式写入国家“十三五”规划纲要。沪杭量子商用干线的建设,将形成沪杭广域量子通信网络,为以量子通信安全应用为核心的增值服务模式和盈利机制创造了条件,可以吸引更多的产业链上下游的投入,推进量子通信在浙江的产业化进程。

有关专家表示,沪杭量子商用干线将构建起我国第一条广泛覆盖政务、商务、金融、电力等重要行业和部门、连接沪杭的高安全通信骨干网络,有利于加快推动量子通信产业化,打造形成量子通信产业集群,对推动浙江经济转型升级、抢占量子通信产业制高点,培育高新技术产业及增长引擎具有极其重要的战略意义。

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