期刊介绍
期刊导读
- 06/23守护通信“生命线”
- 06/23量子通信:挑战世界最高难度 架起天地一体万里
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量子通信:挑战世界最高难度 架起天地一体万里(2)
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。
王建宇从2007年就开始参与量子卫星的研究工作。他是中国科学院上海分院的副院长、原中国科学院上海技术物理研究所所长,作为光学遥感系统专家,他的团队与潘建伟团队合作,在辽阔美丽的青海湖畔实现了百公里级自由空间量子通信。
在2007年至2010年的关键技术攻关阶段,研究团队将量子密钥产生的地方放在位于青海湖湖心岛的海心山上,从中间向两边分发。
那时,晚上团队成员们就睡在帐篷里,同时还不能睡死,他们要打死一批批有可能干扰设备的蛾子。其中有位女研究生,从看见蛾子就害怕,到后来变成一边做实验一边面不改色地把蛾子一只只拍死的“杀手”。
“以前做卫星,多少能找到参考资料,但这个量子卫星的工作,属国际首次,完全没有参考。”王建宇认为,最困难的环节就是实现天地一体化联通。
按潘建伟等科学家的实验设计要求,“墨子号”不仅是天上的那颗卫星,它还包括地面系统:1个中心——合肥量子科学实验中心,4个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站,1个平台——阿里量子隐形传态实验平台。卫星和地面站之间,要做到最高精度的瞄准和最灵敏的探测。
光量子非常小,它是光的最小单位,必须要用极为灵敏的探测器才能探测到;它的数量又非常多,“墨子号”卫星每秒能分发1亿光量子;此外,它还姿态万千,能形成不同的量子编码……
王建宇打了个比方:如果把光量子看成一个1元硬币,星地实验就相当于要在万米高空飞行的飞机上,不断把上亿个硬币一个个投到地面上一个不断旋转的储钱罐里(偏振测量的基矢在变化),这不但要求硬币击中储钱罐(瞄准精度),而且要求硬币准确射入罐子上细长的投币口(偏振保持)。
为了让穿越大气层后光量子的“针尖”仍能对上接收站的“麦芒”,王建宇团队与潘建伟团队一道,从2012年起开始进行了各种实验:收发距离40公里的转台实验,要与卫星绕地运行的角速度一致;30公里距离的车载高速运动实验,要考验超远距离“移动瞄靶”能力;热气球浮空平台实验,在空地环境下模拟量子密钥分发……
这么困难的“针尖”对“麦芒”,其关键技术最终被一一攻破,在十几个研究所的几百位科研人员的倾情投入下,卫星的初样完成了。
构建首个星地量子通信网
32年前,人类历史上首次量子通信在实验室实现了,传输距离32厘米。而今,中国人将这个距离扩展了1400多万倍,实现了从地面到太空的多用户通信。
2021年1月7日,国际顶级学术期刊《自然》杂志上发表了题为《跨越4600公里的天地一体化量子通信网络》的论文。中国科学技术大学宣布,中国科研团队成功实现了跨越4600公里的星地量子密钥分发,标志着我国已构建出天地一体化广域量子通信网雏形。
20年磨一剑,中国在量子通信域实现了从跟跑到领跑:量子保密通信京沪干线总长超过2000公里,是目前世界上最远距离的基于可信中继方案的量子安全密钥分发干线,该线路已于2017年9月底正式开通。“墨子号”量子科学实验卫星于2016年8月在酒泉卫星发射中心成功发射,圆满完成了预定的全部科学目标。
“墨子号”牵手“京沪干线”,中国科学技术大学科研人员潘建伟、陈宇翱、彭承志等与中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院及中国有线电视网络有限公司合作,构建了全球首个星地量子通信网。经过为期两年多的稳定性、安全性测试,该通信网实现了跨越4600公里的多用户量子密钥分发。
“要实现广域量子通信,就要解决光量子损耗、退相干等一系列技术难题,比如光量子数在光纤里每传输约15公里就会损失一半,200公里后只剩万分之一。”潘建伟说,科研团队在光学系统等方面发展了多项先进技术,化解了这些难题。
全球首个星地量子通信网络,覆盖我国四省三市32个节点,包括北京、济南、合肥和上海4个量子城域网,通过两个卫星地面站与“墨子号”量子科学实验卫星相连,总距离为4600公里,目前已接入金融、电力、政务等行业的150多家用户。
目前,广域量子通信网络的雏形已基本形成,未来在此基础上,可进一步推动量子通信在金融、政务、国防、电子信息等领域的广泛应用。
文章来源:《信息通信技术与政策》 网址: http://www.xxtxzz.cn/zonghexinwen/2021/0623/1457.html
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