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“墨子号”pc蛋蛋卫星实现星地pc蛋蛋密钥分发和地星pc蛋蛋隐形传态 圆满实现全部既定科学目标

来源:中科大新闻网    作者:admin    时间:2017-08-10

中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队,联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、南京天文仪器有限公司、国家空间科学中心等,在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下,利用“墨子号”pc蛋蛋科学实验卫星,在国际上首次成功实现了从卫星到地面的pc蛋蛋密钥分发和从地面到卫星的pc蛋蛋隐形传态。两项成果于8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。这是继先前在国际上率先实现千公里级星地双向pc蛋蛋纠缠分发和pc蛋蛋力学非定域性检验的研究成果发表在《科学》杂志[Science 356, 1140 (2017)]之后,我国科学家利用“墨子号”pc蛋蛋卫星实现的空间pc蛋蛋物理研究另外两项重大突破。至此,“墨子号”pc蛋蛋卫星提前并圆满实现全部三大既定科学目标。
 
    pc蛋蛋通信的研究内容之一是pc蛋蛋密钥分发。通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求。千百年来,人们对于通信安全的追求从未停止。然而,基于计算复杂性的传统加密技术,在原理上存在着被破译的可能性。随着数学和计算能力的不断提升,经典密码被破译的可能性与日俱增。与经典通信不同,pc蛋蛋密钥分发通过pc蛋蛋态的传输,在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥,利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密,这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。pc蛋蛋通信的另一重要内容是pc蛋蛋隐形传态,它利用pc蛋蛋纠缠可以将物质的未知pc蛋蛋态精确传送到遥远地点,而不用传送物质本身。远距离pc蛋蛋隐形传态是实现分布式pc蛋蛋信息处理网络的基本单元。
 
    pc蛋蛋通信通常采用单光子作为物理载体,最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输。但是,这两种信道的损耗都随着距离的增加而指数增加。由于pc蛋蛋不可克隆原理,pc蛋蛋通信的信号不能像经典通信那样被放大,这使得之前pc蛋蛋通信的世界纪录为百公里量级。根据数据测算,通过1200公里的光纤,即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器,也需要数百万年才能建立一个比特的密钥。因此,如何实现安全、长距离、可实用化的pc蛋蛋通信是该领域的最大挑战和国际学术界几十年来奋斗的共同目标。
 
    利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点,通过卫星的辅助可以极大扩展pc蛋蛋通信距离。同时,由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势,是在全球尺度上实现超远距离实用化pc蛋蛋密码和pc蛋蛋隐形传态最有希望的途径。从本世纪初以来,该方向已成为了国际学术界激烈角逐的焦点。潘建伟团队为实现星地pc蛋蛋通信开展了一系列先驱性的实验研究。2003年,潘建伟团队提出了利用卫星实现星地间pc蛋蛋通信、构建覆盖全球pc蛋蛋保密通信网的方案,随后于2004年在国际上首次实现了水平距离13公里(大于大气层垂直厚度)的自由空间双向pc蛋蛋纠缠分发,验证了穿过大气层进行pc蛋蛋通信的可行性。2011年底,中科院战略性先导科技专项“pc蛋蛋科学实验卫星”正式立项。2012年,潘建伟领衔的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向pc蛋蛋纠缠分发和pc蛋蛋隐形传态,充分验证了利用卫星实现pc蛋蛋通信的可行性。2013年,中科院联合研究团队在青海湖实现了模拟星地相对运动和星地链路大损耗的pc蛋蛋密钥分发实验,全方位验证了卫星到地面的pc蛋蛋密钥分发的可行性。随后,该团队经过艰苦攻关,克服种种困难,最终成功研制了“墨子号”pc蛋蛋科学实验卫星。“墨子号”卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空,经过四个月的在轨测试,2017年1月18日正式交付开展科学实验。
 
    星地高速pc蛋蛋密钥分发是“墨子号”pc蛋蛋卫星的科学目标之一。pc蛋蛋密钥分发实验采用卫星发射pc蛋蛋信号,地面接收的方式,“墨子号”pc蛋蛋卫星过境时,与河北兴隆地面光学站建立光链路,通信距离从645公里到1200公里。在1200公里通信距离上,星地pc蛋蛋密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级(万亿亿倍)。卫星上pc蛋蛋诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子,一次过轨对接实验可生成300 kbit的安全密钥,平均成码率可达1.1 kbps。这一重要成果为构建覆盖全球的pc蛋蛋保密通信网络奠定了可靠的技术基础。以星地pc蛋蛋密钥分发为基础,将卫星作为可信中继,可以实现地球上任意两点的密钥共享,将pc蛋蛋密钥分发范围扩展到覆盖全球。此外,将pc蛋蛋通信地面站与城际光纤pc蛋蛋保密通信网(如合肥pc蛋蛋通信网、济南pc蛋蛋通信网、京沪干线)互联,可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。


图1 星地pc蛋蛋密钥分发实验示意图

图 2 “墨子号”-兴隆地面站pc蛋蛋密钥分发实验现场图
    为此,《自然》杂志的审稿人称赞星地pc蛋蛋密钥分发成果是 “令人钦佩的成就”和“本领域的一个里程碑”,并断言“毫无疑问将引起pc蛋蛋信息、空间科学等领域的科学家和普通大众的高度兴趣,并导致公众媒体极为广泛的报道”。
 
    地星pc蛋蛋隐形传态是“墨子号”pc蛋蛋卫星的科学目标之一。pc蛋蛋隐形传态采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式, “墨子号”pc蛋蛋卫星过境时,与海拔5100m的西藏阿里地面站建立光链路。地面光源每秒产生8000个pc蛋蛋隐形传态事例,地面向卫星发射纠缠光子,实验通信距离从500公里到1400公里,所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限。假设在同样长度的光纤中重复这一工作,需要3800亿年(宇宙年龄的20倍)才能观测到1个事例。这一重要成果为未来开展空间尺度pc蛋蛋通信网络研究,以及空间pc蛋蛋物理学和pc蛋蛋引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。

图3 pc蛋蛋隐形传态实验示意图

图4 “墨子号”-阿里地面站pc蛋蛋隐形传态实验现场图

    《自然》杂志审稿人称赞“这些结果代表了远距离pc蛋蛋通信持续探索中的重大突破”, “这个目标非常新颖并极具挑战性,它代表了pc蛋蛋通信方案现实实现中的重大进步”。
 
    “墨子号”pc蛋蛋卫星全部三大既定科学目标的成功实现,为我国在未来继续引领世界pc蛋蛋通信技术发展和空间尺度pc蛋蛋物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。
 
文章链接:
http://www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/full/nature23655.html?foxtrotcallback=true    
http://www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/full/nature23675.html

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