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在科幻電影中常會出現這樣一個情景:一個人或物體突然在某一個地方消失,又在另一個遙遠地點出現。這種『穿越』現象並非是憑空捏造。在科學家們看來,這種『穿越』是一種『隱性傳輸』,一直是各國科學家研究的熱點。
今天上午,中科大召開新聞發布會,由該校潘建偉院士、中科院上海技術物理研究所王建宇、光電技術研究所黃永梅等組成的聯合研究團隊,在國際上首次成功實現了百公裡量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發。這項實驗證明了實現基於衛星的全球量子通信網絡的可行性。
[原理解釋]不需要載體信息也能傳輸
什麼是量子隱形傳態?對於記者的提問,研究團隊一名工作人員用了一個形象的比喻:就像寄信一樣,紙上內容從一個地方到另一個地方,需要信紙這個載體。但如果用量子態隱形傳輸,利用量子的糾纏,不再需要任何載體,實現信息的傳輸。
研究團隊一名工作人員解釋,量子態隱形傳輸是一種全新的通信方式,它傳輸的不再是經典信息而是量子態攜帶的量子信息,是未來量子通信網絡的核心要素。
這名工作人員進一步解釋,利用量子糾纏技術,需要傳輸的量子態如同科幻小說中描繪的『超時空穿越』,在一個地方神秘消失,不需要任何載體攜帶,又在另一個地方瞬間神秘出現。
[研究成果]首次實現量子隱形傳輸百公裡
為了實現量子隱形傳態,研究團體從事了多年的努力和科研。2010年,該小組在國際上首次實現了16公裡自由空間量子態隱形傳輸。這次實驗證實了量子態隱形傳輸穿越大氣層的可行性。
研究團隊工作人員介紹,當時在北京八達嶺到河北懷來相隔長達16公裡,研究小組分別在兩地之間架設了一條自由空間量子信道。量子在八達嶺突然消失,瞬間就出現在了河北懷來。像隱形人一樣,在這邊一下子消失,在另外一邊又同時出現,而且不需要借助光纖信道等載體。
該工作人員介紹,從2010年開始,中科院聯合研究團隊在青海湖地區建立實驗基地,開展驗證星地自由空間量子通信可行性的地基實驗研究。
『最近,聯合研究團隊在青海湖,找到兩個點,相距97公裡,做量子隱性傳態實驗。首次實現了基於四光子糾纏的97公裡的自由空間量子態隱形傳輸。』該研究人員說,該實驗證明,無論是從高損耗的地面指向衛星的上行通道鏈路,或是從衛星指向兩個地面站的雙通道下行鏈路,實現量子態隱形傳輸和量子糾纏分發都是可行的,這為基於衛星的廣域量子通信和大尺度的量子力學基礎原理檢驗的實現奠定了堅實的基礎。
[未來運用]未來實現全球量子通信網具有可行性
科研人員從事量子隱形傳態實驗,是實現全球量子通信網絡的可行性的前提研究。那什麼是量子通信?
研究人員解釋,量子通信擁有『絕不泄密』的本領,保護用戶通信安全。由於量子具有不可再分、不可復制的特性,如果在傳輸中受到乾擾就會改變狀態,接收方就可以發現。也就是說,除了在保護通信安全的前提下,量子通信還有『反竊聽』的功能。如果有人竊聽,信息就被偷聽動作改變了,從而可以保證內容的絕密。
研究人員介紹,在任意距離間傳輸未知量子態,是實現遠距離量子通信和分布式量子網絡必不可少的環節,它可以通過遠距離量子態隱形傳輸和糾纏分發來實現。目前,量子態隱形傳輸和糾纏分發已經在中等距離的光纖得到了實現,但是巨大的光子損耗和消相乾效應使得要在光纖中實現更遠距離的量子傳輸必須引入量子中繼器,而量子中繼器的實用化在實驗上還是一個很大的挑戰。自由空間信道由於損耗小,比光纖通信更具可行性,結合衛星的幫助,將有可能在全球尺度上實現超遠距離的量子通信和量子力學基礎檢驗。
與此同時,中科院聯合研究團隊發展了一套高頻率、高精度的瞄准、捕獲和跟蹤技術和裝置,確保了百公裡量子信道的衰減穩定在一個可以進行實驗的范圍內,這是世界上首次將高頻率高精度的跟瞄技術應用到量子通信的實驗中;該技術可以用來跟蹤移動目標,將來可以直接利用到衛星的跟瞄上。
[國際影響]研究成果有望成為量子通信研究一座裡程碑
此項研究成果一經發布,立即在國際上引起轟動效應,引發各國科學家和科研專刊關注和報道。其中,世界著名科研刊物《自然》雜志稱之為『有望成為遠距離量子通信的裡程碑』。
該研究人員介紹,研究部分成果的預印本於今年5月在美國學術網站arXiv.org公開後,立即引起了學術界的廣泛關注。歐洲物理學會新聞網站以『物理學家宣布新的量子態隱形傳輸記錄』為題進行了特別報道;美國《科學新聞》雜志更以『量子隱形傳輸的巨大飛躍』為題進行了專題報道,稱這項研究進展『使得基於衛星覆蓋全球的、實用化的遠距離量子通信網絡更為接近現實』,『為基於衛星的量子通信、遠距離的量子力學基本檢驗鋪平了道路』;英國《新科學家》雜志以『隱形傳輸記錄觸發全球保密量子網絡』為題進行了報導。
『《自然》雜志幾位審稿人對該成果給予了高度評價,稱之為「來自於潘建偉小組的另一個英雄的實驗工作」,「有望成為遠距離量子通信的裡程碑」。』該研究人員說,《自然》雜志還在該論文發表前向各大科學新聞媒體發布了題為『通向全球化量子網絡』的新聞稿,並同時在《自然》雜志的當期封面上發布『量子隱形傳態跨越了百公裡鴻溝』的封面標題。
研究歷程
●2005年,潘建偉小組在國際上首次實現了距離大於垂直大氣層等效厚度的自由空間雙向糾纏分發。此後,在中科院知識創新工程重大項目『遠距離量子通信實驗研究』、『空間尺度量子實驗關鍵技術與驗證』和中科院量子戰略性先導科技專項的持續支持下,潘建偉小組對自由空間量子實驗關鍵技術進行了大量的研究。
●2010年,該小組在國際上首次實現了16公裡自由空間量子態隱形傳輸。從2010年開始,中科院聯合研究團隊在青海湖地區建立實驗基地,開展驗證星地自由空間量子通信可行性的地基實驗研究。
●2011年10月在青海湖首次成功地實現了百公裡量級的自由空間量子隱形傳態和雙向糾纏分發。
●最近,聯合研究團隊在青海湖首次實現了基於四光子糾纏的97公裡的自由空間量子態隱形傳輸,並首次實現了百公裡的雙向糾纏分發和Bell不等式檢驗[Nature 488, 185 (2012)]。為基於衛星的廣域量子通信和大尺度的量子力學基礎原理檢驗的實現奠定了堅實的基礎。