量子通信 不可错过 2016必将贯穿

世界首颗量子通信卫星明年升空
　　
2016-01-03 00:08来源: 新民晚报
　　本报讯 （记者 马亚宁）电子通信时代，信息安全脆弱得像一层窗户纸，基于计算复杂度的经典加密体系一次次被破解，绞尽脑汁的信息加密最终可能沦为形同虚设。唯一的解决之道，就是求助于保障信息安全的“终极武器”——量子通信。记者从昨天举行的第266期东方科技论坛上获悉，由中国科学家自主研发的世界首颗量子科学实验卫星，将于明年6月前发射，这有望使中国先于欧美拥有量子通信覆盖全球的能力。

　　量子通信作为后摩尔时代的新技术，有望在10至15年之后成为继电子和光电子之后的新一代通信技术。中科院上海技术物理所王建宇研究员介绍，作为中科院先导计划中空间计划的一部分，量子卫星需要在两年的设计寿命中完成三大任务：卫星和地面绝对安全量子密钥分发、验证空间贝尔不等式和实现地面与卫星之间隐形传态。

　　这些实验将通过我国自主研发的星地量子通信设备完成，整个的量子通信过程就像是卫星产生光子并“发射光子”，与之对接的地面系统则负责“接收光子”。如果天地间的光子“接发球”顺利完成，意味着以往局限于地球上的量子通信实验场，将移师太空，在全球率先实现星地量子通信。

　　据预测，在首颗卫星发射成功后，我国还将发射多颗卫星，到2020年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发，届时联接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。到2030年左右，则将建成全球化的广域量子通信网络。

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在张江高新区管委会、市科委、浦东新区政府等大力支持下，中科大上海研究院团队正在建设上海量子通信产业园，包括陆家嘴金融量子保密通信应用示范网、量子通信上海总控中心与大数据服务中心，作为“量子科学实验卫星”“京沪干线”等国家重大任务在上海落地的公共服务平台。这些重大工程及其带动的产业，将成为上海科技创新中心建设的一大亮点。记者　俞陶然

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建设量子“京沪干线” 梦想“瞬间移动”
2015-12-28 08:20:23　来源: cnbeta网站(台州)

摘要：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。
建设量子“京沪干线” 梦想“瞬间移动”

“量子科学实验卫星”和“京沪干线”示意图。

何为量子隐形传态？记者采访了中科大上海研究院陆朝阳教授。据介绍，明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。

上帝不会掷骰子？

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。好比上台阶，只能上一个台阶，而不能上半个。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。如氢原子中电子的能量只能取一个基本值——-13.6电子伏特或者其1/4、1/9、1/16、1/25等，而不能取其2倍或1/2、1/3。

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。显然，这与我们在宏观世界中形成的常识相悖。莫非是由于粒子运动速度太快，观测者看不清吗？非也。量子力学认为，粒子状态的不确定性是一种客观真实的状态，而不是因为我们获得的信息不全。

打个比方，有些状态可以用指向为上、下、左、右的箭头表示，于是我们定义“方向”为一个物理量，但是还有些状态是一个圆，圆状态与箭头状态同样真实，只是没有确定的方向而已。如果对圆状态测方向，它会以相同的概率变成任何一个箭头状态。同样道理，科研人员制备多个具有相同状态的粒子，将测量其位置的实验重复多次，发现每次实验结果都不一样。量子力学认为这很正常，因为微观粒子的状态在本质上具有随机性，同样的原因可以导致不同结果。

这颠覆了经典力学对确定性的信念。爱因斯坦虽然是量子力学的缔造者之一，但终其一生，都不接受这套理论所认可的随机性。他说了一句名言：“上帝不会掷骰子”。

“瞬间移动”理论上可行

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”。

上世纪80年代，技术条件成熟后，法国的阿斯佩克特等人做了EPR实验。结果发现：EPR　对粒子居然真的具有超时空关联！爱因斯坦为驳倒量子力学而构思的实验，反而证明这套理论是正确的。陆朝阳解释说，这两个粒子被称为处于“纠缠态”，无论相隔多远，一个粒子的量子态确定时，另一个粒子的量子态也瞬间确定。但两者之间并不能用于信息的传输，因此不违反相对论。

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。

1997年，奥地利因斯布鲁克大学塞林格、潘建伟等人在《自然》上发表论文，首次实现单个光子的单个自由度的量子隐形传态。2015年，已是中科院院士的潘建伟和陆朝阳等人实现了单个光子的2个自由度的量子隐形传态。所谓“自由度”，是描述一个体系所需的变量数目。从1到2，这一看似简单的跨越，物理学界探寻了18年，最终由中国团队折桂。

此前，潘建伟团队还在青海湖实现了100公里的量子隐形传态，创造世界纪录，并实现了冷原子团直接的量子隐形传态。这些成果给人们带来了很大的想象空间。今后，科学家有望实现更复杂物理的隐形传态。“物理学家已经在思考，如何将一个细菌的量子态进行隐形传输。或许在遥远的未来，我们能用这种原理实现人的瞬间传输：上午你在上海，中午瞬间移动到巴黎，吃顿法国餐，然后回上海继续工作。”陆朝阳说。

京沪金融通信绝对安全

当《七龙珠》中的瞬间移动术还是梦想时，量子保密通信技术已逐步成熟，达到了可以产业化的阶段。在这一领域，潘建伟团队取得了多项重大原创性科研成果，已占据国际引领地位。

预计明年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。

对于量子保密通信，潘建伟解释说，经典通信的信号只有0和1，发生窃听时，这两种信号不会被扰动。如两人打电话时，他人可通过窃听器，从通信线路中的上千万个电子中分出一些电子，使其进入另一根线路，从而实现窃听，而通话者无法察觉。量子通信与之不同，不但有信号0和1，还拥有0+1、0-1等量子叠加态。根据量子力学的不确定性原理和不可克隆原理，量子信号一旦被窃听，量子叠加态就会受到扰动，有可能“塌缩”成另一个量子态。这样一来，通信双方能立即察觉。

实际应用量子通信的主要困难，是长距离传输过程中会出现信号损耗。为解决这一问题，潘建伟想到了卫星，因为外太空环境接近真空，信号损耗很小。“量子科学实验卫星”如果成功，我国有望在未来发射多颗量子通信卫星，逐步建立覆盖全球的量子通信网络。

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。

在张江高新区管委会、市科委、浦东新区政府等大力支持下，中科大上海研究院团队正在建设上海量子通信产业园，包括陆家嘴金融量子保密通信应用示范网、量子通信上海总控中心与大数据服务中心，作为“量子科学实验卫星”“京沪干线”等国家重大任务在上海落地的公共服务平台。这些重大工程及其带动的产业，将成为上海科技创新中心建设的一大亮点。记者　俞陶然

netease 本文来源：cnbeta网站 责任编辑：王珏_NT2830

1月份量子货架科学奖公布时必将迎来第2波  下一波量子卫星上天必将迎来第3波  全面应用必将全民爆炒  把控节奏  闻风起舞 随风起舞  迎风而上  铸就游资   GOGO GO

量子通信顺利出光， 下一个超级题材必须要狠搞

　　中国证券网讯 按此前惯例，2015年度国家科学技术奖拟于2016年1月在人民大会堂举办颁奖典礼。从目前公布的初评结果可预判，若本次自然科学一等奖终有得主，该荣誉将花落“多光子纠缠干涉度量学”。因为该项目是本年度唯一一个入选该奖项等次的初评项目。

　　据上海证券报12月15日消息，据科技部官网此前公布的信息显示，2015年度入选自然科学一等奖初评的项目仅有“多光子纠缠干涉度量学”。该项目推荐单位是安徽省、中国科学院。据介绍，该项目组系统地发展了多光子纠缠干涉量度学，并将之创新性地应用于量子通信、量子计算等多个研究方向，取得了广域量子通信和光学量子信息处理等领域的系统性关键突破；在此基础上，将量子保密通信技术带入现实应用。

　　自然科学奖作为国家科学技术奖五项奖项之一，为中国自然科学领域的最高奖，意在奖励那些在基础研究和应用基础研究领域，阐明自然现象、特征和规律，做出重大科学发现的中国公民。此前，华罗庚、吴文俊 、钱学森等均获此殊荣。

　　摩尔定律显示，半导体晶体管的尺寸开始越来越小，在达到纳米级后电子的运动规律不再遵循传统的经典电动力学；与此同时，芯片的安全性变得越来越重要，人们开始寻求一种在原理上可以无条件安全的通信模式；量子力学在解决上述问题中有望发挥重要作用，这主要显示在量子通信、量子计算、量子精密测量三个方面。

　　在量子通信领域，中科院院士、中科大副校长潘建伟团队希望通过3-5年努力，解决基于中继量子通信的问题，初步开展星地量子实验；通过10年左右的努力，构建高速率实用化的广域化的网络。

　　基于密钥分发本身进展缓慢等原因，量子通信还处于实验室阶段。目前，中科院等团队于2012年在合肥构建了一个覆盖6000平方公里的实验网，基本证实可满足万用户密钥分发的安全需求；并构建了基于量子通信的高安全通信保障系统；中科大正在跟有关单位合作，推动在金融、国防、信息安全方面的应用，该网络将在2016年底全线开通，希望不久的将来投入运营和使用。此外，中科院启动了“量子科学实验卫星”先导专项，预计卫星2016年上半年发射，用光纤做城域网，用卫星做广域网，在国际上率先实现高速星地量子通信。

　　量子计算仍处于早期发展阶段，像经典计算机那样具有通用功能的量子计算机最终能否成功，对整个科学界还是个未知数。潘建伟希望2-3年内实现20-30个量子比特的相关操纵；10年左右实现50-100个比特的量子相关操纵，就可以做一些超级计算机做不了的事情了。量子的模拟也许在5-10年就会有很好的结果出来。

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这样的话新学科就诞生了，叫量子力学科学。从理论的萌芽到现在已经有将近30年的历史了，主要有三方面的作用。一是量子通信，可以实现原理上是无条件安全的信息的传输；二是量子计算，可以具有超快的计算能力，这个信息拥有0和1之外，还有0+1的状态。三是量子精密测量。


 

这两个技术加在一起。如果把光子拿走了，张三送光子，李四收不到了，信号就丢失了，这是一种情况。第二种情况，这个窃听者说我复制一个跟原来这个一模一样的，这个时候就会不可避免的引入噪声，通过噪声的检查，发现窃听者的存在。因为量子不可分割、不可克隆，可以在原理上保证比较安全，实现加密内容不可破译的保密通信。密钥不可随时产生，不可破译。

 

密钥分发的安全怎么保证？这是20年之后的事情，2009年的时候理论上证明了，只要因果律成立，量子密钥分发的安全性就是严格得到证明的。什么叫因果性？就是不能超光速飞行，因为超光速飞行时光就可以倒流，就可以回到从前。这样的话，它的安全性是由物理学的基本原理所保证，到目前为止，因果性是物理里面一条最宝贵的原则。

另外，可以用于量子计算，在经典计算机里面一个比特处于0和1，如果说有N个比特的话，到量子世界就可以有2的N次方个比特的相关叠加，对数据的处理可以实现量子并行性，有了量子并行性就可以设计一些特殊的算法。

比如说大数分解的算法。它也可以应用大数据人工智能方面的工作，比如说求解一个10个20次方的变量的方程组的话，利用天河2号需要100万，但是利用量子计算器的话0.01秒就可以了。

 

研究普适的量子计算机需要很长的时间，我们希望短期的物理学方面的研究取得一些有效的进展。在80年有一位物理学家菲曼教授指出，如果把宇宙当中所有原子构建成非常大的一台传统计算机的话，那么连300个两能级粒子的计算都模拟不了。这时候可以用可控的方式构造人造量子系统，可以搞一个光晶格，里面装300个原子，用武力看它的演化，最后测量的结果对应着计算的结果。量子的模拟，我想在不久的将来，也许5年、10年就会有很好的结果出来。这种情况下，可以在新能源、新材料的机制方面，可以起到非常好的推动作用。

 
最后，简要介绍一下这个领域另外一个应用，叫量子精密测量。量子精密测量可以广泛运用时间、磁场，各种物理学的测量。比如说加速度的测量，对速度进行积分就可以知道3维具体在什么地方。目前用原子叠加构建精确的加速度计，目前实验室条件最好的精度达到10的负12个加速度计。如果用量子导航仪的话，哪怕精度不要10的负12，如果到10的负12，100天后的精度达到米的量级。这样的话，就可以进行自主导航。

 

前面介绍了这个领域简要的研究内容。在实验上要真正实现这些东西，其实非常困难。比如说在量子密钥分发上，我们要把单光子制造出来就非常困难，激光管每秒钟发出来的光是10的16次方，一个一个抓出来，加载信息，传输出去在实验上是非常大的挑战，一般我们用准单光子源，把激光衰减，保证每一个脉冲里面有一个光子的概念非常小。如果窃听着把一个光子截断，两个光子拿走一个，剩下一个送走，就会有双子速的分离攻击。2005年之前，在前面将近20年当中，量子密钥分发本身进展非常缓慢，因为它到了10公里之后，每1000秒只能送一个码，而且只能做10公里，根本没有实用价值。