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对话量子卫星首席科学家潘建伟:中国量子通信缘何赶超欧美国家?

发布时间:2019-06-25 09:23 来源:未知 编辑:admin

  自上世纪末以来,人类对自然界的能量最小单位——量子的理解,开始突破往昔瓶颈,从而催生了量子信息科学。量子信息研究以量子通信等领域为切入口,逐渐迎来了“全速发展期”。

  而在此当中,很多个“世界首次”,均来自于“中国队”。从在国际上首次成功实现量子态隐形传送以及纠缠态交换、首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发,再到实现国际上首个全通型量子通信网络、建成首个规模化量子通信网络……中国科学家逐步跻身于国际一流的量子信息研究行列,量子通信的产业化也在中国科学家的全力推动下得到最快速的发展。

  “这标志着中国在量子通信领域的崛起,从十年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美。”国际权威期刊《自然》杂志不禁感叹。

  潘建伟可以说是中国科学家典型的成功样本:进展”,41 岁当选“最年轻院士”,42 岁获得国际量子通信大奖,45 岁成为国家自然科学奖一等奖最年轻的第一完成人。他所带领的团队,成果9 次入选两院院士评选的“年度十大科技进展新闻”,1 次入选《自然》杂志评选的“年度十大科技亮点”,3 次入选英国物理学会评选的“年度物理学重大进展”,3次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”。

  然而,对他来说,大大小小的荣誉与光环不过是马拉松比赛中为他补充能量的饮水站,不是最终目标,也不是驱动他分秒必争、永不停歇的内在动力。在他心中,这场长跑不仅是各国科学家之间的创新之争,更是人类有限的认知与自然无尽的奥秘之间的角力。

  “量子力学所预言的种种奇特现象,以及量子力学诞生一百余年来对人类物质文明进步所带来的巨大变革,使我对量子物理产生了浓厚兴趣。因此,探究量子世界的各种奇妙现象也成了我终生的奋斗目标。”在潘建伟的心中,对量子的探究是保持他精神自由的工具,也是他摆脱精神桎梏的飞行器。

  事实上,在潘建伟团队所做出的一项项成果之下,隐含着一幅清晰缜密的发展蓝图:通过量子通信研究,从初步实现城域量子通信网络,到实现全球范围的量子通信网络,以保证信息传输的绝对安全;通过量子计算研究,为大规模计算难题提供解决方案,实现大数据时代信息的有效挖掘;通过量子精密测量研究,实现新一代定位导航等等。

  而这幅蓝图的第一个板块,将有望在今年得到两大关键性突破。今年,由潘建伟团队牵头承担的世界上第一条远距离量子通信保密干线“京沪干线”将开通。同时,由团队牵头承担的中科院空间科学战略性先导科技专项(简称“空间科学先导专项”)的世界首颗“量子科学实验卫星”也发射在即。

  一星一地,交相呼应。届时,这两大工程将可以实现高速星地量子通信、并连接地面的城域量子通信网络,初步构建成我国天地一体化的量子通信网络雏形,并最终将目标设定为建立一个覆盖全国甚至覆盖全球的广域量子保密通信网络。

  小小量子,却拥有无限潜力。量子信息科技为科技实力正在不断提升的中国带来了一个重大的机遇,中国正在从经典信息技术时代的跟随者成长为未来信息技术的领跑者。

  Q:当大多数人仍满足于在实验台上研究量子信息时,您已经开始思考如何能够在太空中实现信息的隐形传送。您能否告诉我们为什么一定要把量子实验“搬”上太空?

  A:突破经典信息技术的瓶颈,对于保护公民和国家的信息安全至关重要,对发展下一代信息产业也有着深远影响。量子通信是迄今唯一被严格证明为无条件安全的通信方式。量子不可分割、不可克隆,所以能保证加密内容不被破译。它可以从根本上保障信息安全、保护全人类的隐私。

  经典通信加密方式的安全性依赖于计算复杂度,因此也一直受到计算能力的提升以及数学的进步所带来的威胁。不同于经典通信,量子保密通信的安全性是建立在量子物理基本原理的基础上,从原理上讲是无条件安全的。因此,量子通信可以从根本上解决国防、金融、政务等多领域的信息安全问题。也正因如此,量子通信一直得到国际上的高度重视,各国间的竞争非常激烈。

  目前,量子保密通信技术已经从实验室演示走向产业化和实用化,正朝着高速率、远距离、网络化的方向快速发展。在城市范围内,通过光纤构建城域量子通信网络是最佳的方案,我国在城域光纤量子通信方面已取得了国际领先的地位。

  然而,由于光纤的固有损耗,在光纤中实现远距离量子通信面临着巨大的挑战。比如,即使存在超出目前技术水平的10G赫兹理想单光子源和100%探测效率的理想单光子探测器,在1000公里光纤中进行点对点量子通信,每300年也只能传输一个比特。因此,要实现覆盖全球的广域量子保密通信,还需要借助卫星的中转。另一方面,卫星也为大尺度的量子物理基本问题实验检验提供了天然的平台。

  Q:作为空间科学先导专项的科学实验卫星之一,也是世界上首颗以量子科学实验为目的的科学卫星,量子科学实验卫星的研制发射将带来怎样的意义?

  A:2011 年,中科院启动全球首颗“量子科学实验卫星”的研制,这也是空间科学先导专项中首批确定的科学实验卫星之一。

  量子科学实验卫星计划于今年8月发射升空,将在国际上率先实现高速的星地量子通信以及空间尺度的量子物理基本问题检验。结合地面即将建成的“京沪干线”千公里级广域量子通信骨干网络,可以初步构建我国空地一体的广域量子通信体系,为率先建成全球化的量子通信网络奠定基础。

  一个天地一体的全球化量子通信基础设施构建成功后,能为未来的互联网提供基于量子通信技术的安全保障,形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统。

  同时,量子科学实验卫星的研制也将促进空间光通信、空间单光子探测、星地高精度时间同步等技术的发展,在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位,实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升。

  A:量子科学实验卫星是我国自主研发的星地量子通信设备,突破了一系列高精尖技术,包括“针尖对麦芒”的星地光路对准,偏振态保持与星地基矢校正,量子光源载荷等关键技术。

  它的成功研制,不仅是中国量子保密通信领域“杀手锏”技术研发的重大突破,实现了从跟随创新到引领创新、从集成创新到原始创新的跨越,同时也是世界量子通信技术的重要创新,它有望使人类科技发展史上“最安全的通信手段”具备覆盖全球的能力。

  随着中国科技的迅猛发展,我相信量子通信将在不到10 年的时间里辐射千家万户。期盼在我有生之年,能亲眼目睹以量子计算为终端、以量子通信为安全保障的量子互联网的诞生。我相信中国科学家们做得到。

  Q:在量子科学实验卫星的研制过程中,您和团队遇到过最大的难题是什么?是如何攻克的?

  A:卫星研制过程中各个载荷系统都遇到了很多难题,难以说哪个最大。一个具有代表性的难题是市面上现有的单光子探测器都无法满足空间的高辐射环境要求。因为宇宙射线会对探测器的半导体晶格造成损伤,增加晶格缺陷,随着晶格中缺陷的增多,器件性能出现急剧衰减。

  我们团队先从基本物理特性入手,在载荷资源和器件本身特性最大允许范围内,提出了通过降低单光子探测器工作温度、增加探测器屏蔽厚度等技术可以解决该问题。

  随后实验上经过艰苦攻关,通过欧洲质子加速器辐照测试,发现降低单光子探测器工作温度和增加探测器屏蔽厚度的技术可以有效增加单光子探测器在轨工作寿命。

  A:量子通信和量子计算研究兴起后,世界各地的物理学家们开始构思可扩展量子信息处理网络的实现。在量子通信领域,当大多数人仍致力于在实验室内部的原理性演示时,我们的团队已经开始思考如何能够在太空中实现量子信息传输,并早在2003 年就初步构想了量子科学实验卫星计划。自2005年起,我们团队就开始星地量子通信的地面验证实验,一系列实验的成功为星地量子通信奠定了坚实的科学与技术基础。

  此外, 领跑国际量子太空竞赛,还有赖于中国“大科学”项目建设的高效性。因为实现卫星量子通信一直是国际上科技强国竞相追逐的目标。比如,量子信息实验研究的先驱者、著名物理学家AntonZeilinger 研究组以及欧洲众多的优秀研究团队一直在与欧洲空间局商讨建立以国际空间站为平台的星地量子通信计划。然而,欧空局缓慢的决策机制使得这一计划一再拖延。

  而在我国,一方面,国家的高强度支持使得包括我们团队在内的优秀科研团队快速推进量子信息研究的发展;另一方面,在卫星量子通信方向上出现重大突破迹象时,中科院快速作出前瞻性决策,得以在国际上率先启动“量子科学实验卫星”。

  Q:其实,在经典信息技术时代我国一直算是科技强国的跟随者,但在量子通信技术领域上,我国却创造出多个首次,在量子通信领域赶超欧美国家。获得如此成绩,是有怎样的积淀与支持?

  A:首先是因为国家的大力支持。2000 年以来中国经济高速增长,国家对科研经费的投入不断加强,成为科研创新的黄金时期。我国政府也高度重视量子信息领域的发展,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》就将“量子调控研究”列入科技部四项“重大科学研究计划”之一,中科院、科技部、基金委等科研主管部门对量子信息领域持续进行着前瞻性、战略性布局。在国家的高强度支持下,我国形成了很强的理论和实验技术储备,培育了一批优秀的研究团队,在量子通信、量子计算等研究方向上产生了一批具有重要国际影响的研究成果。

  其次,我们很注重国际交流合作。在我刚回国建立实验室的时候,当时无论是研究水平还是人才储备方面,国内的基础都很薄弱。“工欲善其事,必先利其器”。因此我们在各国间奔波,与国际先进小组保持密切的合作,不断地取长补短,这是让团队得以快速发展壮大的“秘方”。

  第三是人才队伍建设。量子信息研究集多学科于一体,要想取得突破,必须拥有不同学科背景的人才。多年来,我们一直有针对性地选送学生出国留学,把他们送到量子信息研究的优秀国际小组加以锻炼。近年来,这些年轻人悉数回国,使得我们的量子研究团队得到空前壮大,形成了一支特色鲜明、优势互补的年轻研究队伍。

  A:对于我们团队来说,卫星的发射并不代表我们的努力就到此为止。单颗低轨卫星无法覆盖全球,同时由于强烈的太阳光背景,目前的星地量子通信只能在地影区进行。要实现高效的全球化量子通信,还需要形成一个卫星的网络。lia“量子调控与光传输研究”项目还将开展基于量子存储的量子纠缠分发和量子隐形传态,以及在更远的距离上检验量子力学非定域特性,并探索对相对论效应、量子引力等物理学基本原理的检验。

  Q:您曾在接受媒体采访时提到过“科学研究不仅要仰望星空,也要脚踏实地”,科学家不仅要关注原始创新,也要鼓励成果转化,服务于国计民生。其实以量子科学实验卫星为代表的“空间科学先导专项”正是“仰望星空、脚踏实地”的科研项目典范。您认为在空间科学发展方面刚刚起步的中国,应该如何延续此类专项,进一步推动我国空间科学发展与社会科技进步?

  A:我国以往的空间计划中,包括国防部门的卫星及载人航天任务、工信部的军民两用任务等,大多是为了应用的目的,以科学家为主导的、特别是以基础研究为目的的项目尚未形成专门系列。基础和应用从来都是相辅相成的,比如我们从事的量子信息研究,正是起源于对量子力学基本问题的研究,随着量子调控技术的进步而产生了包括量子通信在内的量子信息科技;在推进量子通信技术的实用化过程中,产生了发射卫星的需求,使得我们进一步发展技术,而星地量子通信又为更加深入地检验量子力学的基本原理提供了平台;量子科学实验卫星发射成功后,又可以推动空间光跟瞄、空间微弱光探测、空地高精度时间同步、小卫星平台高精度姿态机动、高速单光子探测等技术的发展,如此形成一个良性循环。

  中科院“空间科学先导专项”是我国首个以科学家为主导的卫星项目系列,它充分体现了国家对科技创新的高度重视:创新就要从源头抓起。空间科学专项起到了一个非常好的示范作用,我建议国家设立专门的空间科学系列任务,源源

  不断地为科学家的原始创新提供平台,这不仅将推动科学研究的进步,也最终会促进社会经济的发展,从根本上提升我国的综合国力。

  Q:中科院作为科技国家队,承担着我国一系列重大科研攻关项目,而空间科学先导专项又推出了我国迄今为止最大规模的空间科学卫星计划。在您看来, 由中科院来承担此次先导专项的重大任务,这其中是否具有一定的必然性?

  A:空间科学卫星任务是一个庞大的系统工程,需要各方面的紧密合作,而中科院系统则具有天然的优势。以量子科学实验卫星为例,需要高亮度的量子光源来确保光子经过整个大气层的损耗后仍能收到足够多的事件,地面站与高速运动的卫星间需要高精度的捕获与跟瞄,整个过程需要高精度的时间同步等,涉及空间工程技术、电子学控制技术、材料工艺、光电技术等各项关键技术的集成

  中国科大团队经过多年的积累,在光量子的产生、传输、探测方面已有国际领先的技术,同时中国科大自身也具有多学科交叉的良好环境;中科院上海技术物理研究所在空间高精度捕获、跟瞄方面具有很强的实力;中科院微小卫星工程中心可以提供卫星平台;中科院光电技术研究所具备地面光学望远镜系统的研制能力;国家天文台、紫金山天文台在各地已有观测站。在中科院的统一协调下,这些院属单位可以快速深入地开展合作,其它几颗卫星我想也具有类似的条件。因此,由中科院来承担空间科学专项,是最为有效的。

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