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中国量子通信技术未来将终结海底光缆

发布时间:2020-01-14 15:32:10阅读:来源:万测试验设备

原理

一个爱因斯坦的预言

两个形态(类似振动频率)相同的量子,无论它们在宇宙中相隔多远,只要其中一个发生变化,另外一个也会有完全相同的变化,这种现象现代科学无法解释……

应用

一个诡异现象的现代应用

但是,这种量子之间的“诡异”特性却被现代科学家巧妙利用于远程通信技术,他们把两个同源的量子分开,对其中一个施以“信息”,那么,远在许多公里之外的另一个量子也会有同样的“反应”,通过读取它的反应,可以实现远超目前水平的通信技术。

比喻

量子好比千年前的棍子

我们来看看一段历史———古希腊的斯巴达人将一张皮革包裹在特定长短粗细的棍子上,再写上传递的信息;而信息接收者只需有根同等尺径的棍子,收到皮革后将皮革裹到棍子上就可以读出原始信息。即使皮革中途被截走,只要对方不知道棍子的长短粗细,所看到的也只是一些无用的信息。形象地说,“棍子”就是量子态隐形传输的特殊装置,而“皮革”就是传输的信息。

由中国科学技术大学和清华大学组成的联合小组,日前成功实现了16公里的量子态隐形传输。这是目前量子通信研究上的世界纪录。让全球量子化通信进一步接近现实,海底光缆等传统技术可能成为历史。

名词解释

量子态隐形传输

量子态隐形传输是一种全新通信方式,它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息,是未来量子通信网络的核心要素。利用量子纠缠技术,需要传输的量子态如同科幻小说中描绘的“超时空穿越”,在一个地方神秘消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方瞬间神秘出现。

按照常理,信息的传播需要载体,人与人的对话需要通过声音来传播,手机与基站之间要通过电磁波来传输信号,互联网的信息传递也需要在光缆中传输的光信号。那么,不需要载体的信息传递是否存在?在量子世界里,在纠缠光子的帮助下,量子态隐形传输就可以实现这一点。

关键词 量子纠缠

爱因斯坦称为“幽灵”

联合小组成员、清华大学教授彭承志告诉记者,该实验首次证实了在自由空间进行远距离量子态隐形传输的可行性,向全球化量子通信网络的最终实现迈出了重要一步。他预测,今后10年内有望建成覆盖全球的量子通信网络。

量子态是指原子、中子、质子等粒子的状态,它可表征粒子的能量、旋转、运动、磁场以及其他的物理特性。曾被爱因斯坦称作幽灵般的超距离作用的“量子纠缠”,指的是在量子力学中,有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系,不管它们被分开多远,只要一个粒子发生变化,另一个粒子的状态也会立刻发生相应的变化,这就是量子纠缠。

彭承志介绍,在量子纠缠的帮助下,待传输的量子态如同科幻小说中“超时空传送”,在一个地方神秘地消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方神秘地出现。

关键词 16公里

证实穿越大气层可行

1997年,奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证;2004年,该小组利用多瑙河底的光纤信道,成功地将量子态隐形传输距离提高到600米。

2004年开始,潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间信道中实现更远距离的量子通信。在自由空间信道中,光子传输几乎不存在退相干效应,而一旦穿透大气层进入到外层空间,光子的损耗更是接近于零,这使得自由空间信道相比光纤信道在大尺度上具有特别的优势。该小组于2005年在合肥创造了13公里的双向量子纠缠分发世界纪录,同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子对的可行性。2007年开始,中国科大-清华大学联合研究小组开始在北京八达岭与河北怀来之间架设长达16公里的自由空间量子信道,并取得了一系列关键技术突破,最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子隐形传态,证实了量子隐形传态过程穿越大气层的可行性,为未来基于卫星量子中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。

彭承志告诉记者,量子纠缠做为量子信息科学的核心资源,是目前国际上的研究热点,基于量子纠缠的量子态隐形传输是量子计算和量子中继中的基本过程,而16公里这个距离能够等效大气的有效厚度,对于未来实用化全球量子通信网络的建立具有十分重要的意义。这样的自由空间量子通信的前景就是,未来发射卫星上天,利用卫星平台中转实现全球化量子通信。

中国科学家在自由空间量子通信方向上的一系列工作引起了国际学术界的广泛关注。英国的《新科学家》(New Scientist)、美国的《今日物理》(Physics Today)等多家学术新闻媒体均对这些工作进行了报道。(综合新华社)

本报记者第一时间专访清华大学教授彭承志

“超时空转移”属误解

我国成功实现世界最远距离量子态隐形传输,这条看起来“高深莫测”,但却引发世界科学界广泛关注的新闻到底意味着什么?

记者:很多科学术语和名词,读者看不明白。你们的研究成果发表后,引起了轰动。您能不能用通俗的语言向我们的读者介绍一下你们的成就?比如,用一些比喻加深读者的理解。

彭承志:比喻还是不能乱打,打得不好会更影响公众对科学成果的理解。

记者:量子态隐形传输被很多人理解为“超时空瞬间转移”。

彭承志:是的。但我这里只是形容量子态隐形传输过程中不需要传递载体,被人误解为“超光速传输”了。

记者:也就是说,即使是量子态隐形传输,也不可能达到超光速?

彭承志:当然。量子态隐形传输,传输的不是量子本身,而是它的量子态。量子态隐形传输中间必须要利用到经典通信手段,所以是不可能超光速的。

记者:奥地利蔡林格小组 2004年利用的是多瑙河底的光纤信道。那么,我们这次的“自由空间”指的是什么?

彭承志:也就是我们存在的空间。在实验的两端装好设备,先用经典强光打通光学链路,然后采用了一种两光子方案进行量子隐形传态实验。由于光纤信道中的损耗和环境干扰,量子态隐形传输的距离难以大幅度提高。我们直接在空间中传输,损耗很小,而到了大气层外,损耗几乎为零。

记者:这次实验突破在哪里?

彭承志:16公里这个距离能够等效大气的有效厚度,这次成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输,证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性。对于未来实用化全球量子通信网络的建立具有十分重要的意义,为未来计划发射卫星上天、利用卫星平台中转实现全球化量子通信打下了基础。

记者:既然还要使用现有经典通信技术,那量子态隐形传输的优势在哪里?

彭承志:经典通信技术无法完成量子态的传输,量子态隐形传输是未来量子通信网络的核心要素,是量子通信的必须环节。量子通信与传统的通信方式相比,具有绝对安全性和超高信道容量等明显优势。

本报记者殷玉生 北京为您报道

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