發(fā)展量子通信為何要上天

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科普時報實習記者 李詔宇

6月26日—27日，在世界互聯(lián)網(wǎng)大會數(shù)字文明尼山對話成果展上，用于量子通信的“濟南一號”量子微納衛(wèi)星吸引了人們的目光。近些年來，以“濟南一號”為代表的量子衛(wèi)星層出不窮，為什么不采用光纖等傳統(tǒng)手段進行量子通信？發(fā)展量子通信為何要上天？

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要想弄清這些問題，首先需要了解何為量子通信。中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院教授級高級工程師廖勝凱介紹說，量子通信是利用量子疊加態(tài)或糾纏效應(yīng)進行信息傳遞的新型通信方式，主要分為量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)兩種。

量子密鑰分發(fā)指通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享安全的密鑰，并利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的原理上無條件、安全的通信方式。

量子隱形傳態(tài)則指利用量子糾纏，將粒子的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠地點，而不傳送粒子本身，是構(gòu)建分布式量子信息處理網(wǎng)絡(luò)和量子計算機的基本要素。

為何利用光纖等傳統(tǒng)手段難以真正實現(xiàn)量子通信？損耗問題是關(guān)鍵。“量子具有不可克隆原理，因此單光子量子信息不能像經(jīng)典通信那樣被放大，一旦傳輸距離較遠，損耗問題就會變得極其嚴重。”廖勝凱指出，根據(jù)數(shù)據(jù)測算，通過1200公里的光纖，即使有每秒百億發(fā)射率的單光子源和完美的探測器，也需要數(shù)百萬年才能傳輸一個比特的密鑰，這顯然是完全不現(xiàn)實的。

1200公里的光纖或許尚可制造，但每秒百億發(fā)射率的單光子源，以及完美的探測器都不是目前技術(shù)等現(xiàn)實條件所能企及的，更何況人們也不可能等待數(shù)百萬年來傳輸信息，于是科學(xué)家們被迫尋找其他解決問題的方法。

既然地面走不通，上天就成為一個可能的選擇。“利用外太空幾乎真空、光信號損耗非常小的特點，通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴展量子通信的距離。” 廖勝凱表示，“由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個地球的獨特優(yōu)勢，使用衛(wèi)星進行量子通信是全球尺度上實現(xiàn)超遠距離實用化量子通信最有希望的途徑之一。量子衛(wèi)星的一個重要作用是作為中繼擴展量子通信的距離，從而實現(xiàn)遠距離通信。”

廖勝凱介紹說，量子衛(wèi)星可以按照軌道的高度劃分為低軌衛(wèi)星（2000公里以下）、中軌衛(wèi)星（2000—20000公里）和高軌衛(wèi)星（20000公里以上），也可以按照重量劃分為小衛(wèi)星（100千克—500千克）、微衛(wèi)星（10千克—100千克）、納衛(wèi)星（1千克—10千克）、皮衛(wèi)星（0.1千克—1千克）、飛衛(wèi)星（10克—100克）。

量子微納衛(wèi)星其實正是量子衛(wèi)星的一種。在量子通信發(fā)展過程中，上天的量子衛(wèi)星起到了重要而難以替代的作用。“通過許多量子衛(wèi)星實現(xiàn)衛(wèi)星組網(wǎng)，才能真正起到對于廣域量子通信的支撐性作用。”廖勝凱表示。

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