量子通信原理理这一步是怎么变的？求大神指点

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-09-18 03:13 标签： 通信原理
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　　２０１６年８月，我国成功发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，并完成多项科学实验目标；

　　２０１６年１２月，量子保密通信骨干网“京沪干线”全线贯通，试运行期间，实现了全长２０００余公里、３２节点的量子密钥中继分发，在世界上首次实现基于可信中继方案的远距离量子安全密钥分发；

　　２０１７年６月，在中国通信标准化协会成立了量子通信与信息技术特设任务组，启动了国家标准的研究工作；

　　２０１７年９月２９日，世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通，结合“京沪干线”与“墨子号”的天地链路，我国科学家成功实现了洲际量子保密通信。

　　“量子通信在未来国家科技竞争、新兴产业培育、国防和经济建设等领域具有重要战略意义。”工业和信息化部信息通信发展司司长闻库在日前举行的以“建设量子通信网络，构建量子产业生态”为主题的中国量子通信网络与应用论坛上表示。

　　国家高度重视量子通信产业发展

　　信息网络是国家战略性公共基础设施，云计算、大数据、物联网、三网融合等新型业务模式的快速发展和下一代信息网络技术的演进，对信息传输的质量与安全要求越来越高。在以微电子技术为基础的信息技术即将达到物理极限的背景下，基于量子力学原理的量子通信技术能够即时发现窃听，实现高安全的加密通信服务，成为主要发达国家在信息领域的战略发展重点。

　　我国也高度重视量子通信产业的发展。２０１６年３月１７日，国家“十三五”规划纲要对外发布，在第二十三章“支持战略性新兴产业发展”的第二节“培育发展战略性产业”中明确要求在信息网络等领域加强前瞻布局，着力构建量子通信和泛在安全物联网，打造未来发展新优势。

　　２０１６年５月１９日，中共中央、国务院印发了《国家创新驱动发展战略纲要》，在第四章“战略任务”的第一节“推动产业技术体系创新，创造发展新优势”中明确要求“发展引领产业变革的颠覆性技术，不断催生新产业、创造新就业”，量子信息技术是重要内容之一。

　　２０１６年１２月１９日，国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，在第七节“超前布局战略性产业，培育未来发展新优势”中明确提出“持续推动量子密钥技术应用”。

　　为培育发展量子通信战略性新兴产业，中央及地方均将量子通信作为重点项目进行部署。２０１５年１１月，习近平总书记在关于“十三五”规划建议的说明中明确指出，要在量子通信等领域部署体现国家战略意图的重大科技项目。在随后发布的《国家创新驱动发展战略纲要》《“十三五”国家科技创新规划》《“十三五”国家信息化规划》等政策中均明确要求推进量子通信这一重大工程的建设。

　　２０１６年５月２５日，国家批复的“长江三角洲城市群发展规划”在第五章“健全互联互通的基础设施网络”的第二节“构建泛在普惠的信息网络”中明确指出“积极建设‘京沪干线’量子通信工程，推动量子通信技术在上海、合肥、芜湖等城市使用，促进量子通信技术在政府部门、军队和金融机构等应用”。在“信息基础设施重点工程”中明确要求“根据‘京沪干线’等量子通信干线工程建设，加快城市群主要城市域量子通信网构建，建成长三角城市群广域量子通信网络。”

　　此外，北京市、上海市、安徽省、山东省等省市也已将量子通信写入“十三五”规划。

　　推进量子通信产业更好发展

　　“随着量子卫星、京沪干线等大项目的建设，量子概念频繁进入公众视野，量子通信产业化的蓬勃发展初现端倪，越来越多的企业进入量子通信领域，逐步集聚形成量子通信产业圈。”中国信息协会副会长朱玉在论坛致辞时表示，近年来，我国量子通信技术已跻身全球领先地位，吸引了国际社会的广泛关注。未来，中国信息协会量子信息分会将积极联合该领域各方面的机构和人士，共同推动我国量子信息产业健康、有序和快速发展。相信在社会各界的重视和指导下，通过产业链上下游企业紧密携手共同努力，定能推动量子信息产业迈入发展快速通道。

　　中国科学院控股有限公司董事长、量子网络公司董事长吴乐斌表示，按照中国科学院“率先行动”计划的部署，中国科学院控股有限公司制定了“联动创新”纲要，将量子通信作为重点产业进行布局。２０１５年以来，中国科学院控股有限公司先后投资了量子通信设备领域全球龙头企业科大国盾量子技术股份有限公司，联合阿里巴巴、中兴通讯等单位成立了中国量子通信产业联盟，并联合中国科学技术大学，发起成立了国科量子通信网络有限公司，加快星地一体广域量子保密通信骨干网络的建设工作。这些举措，初步实现了量子信息领域创新链、产业链和资本链的“三链”联动，为培育量子通信战略性新兴产业，在全球率先开展量子通信规模化应用夯实了基础。未来，量子通信作为极有可能成为保障国家战略安全和支撑国民经济可持续发展的重大技术创新，前景广阔，市场规模巨大，未知领域也很多，希望量子通信行业的各企业、机构，进一步发挥企业家精神，携手并进，积极合作，共同谱写我国量子通信行业的美好明天。

　　闻库强调，下一步，政府主管部门、研究机构、产业界要不断加强协调合作，全面贯彻党中央、国务院的指示精神，以此次论坛为契机，不断推动我国量子通信网络及应用的发展。一是加快突破关键技术和设备研发。推进包括量子通信基础理论研究量子密钥分发系统关键器件、量子通信广域组网等技术创新发展，加快实现核心技术、器件和设备的突破。二是加大应用试点和推广力度。推动量子通信技术在网络信息安全、电子政务、金融、电力、灾备等重点领域的试点和应用，以市场应用带动量子通信产业化发展。三是着力促进产业链协同。通过国家专项、产业资金和社会资本等多渠道投资的支持和引导，着力促进技术研发、设备生产、网络应用等产业链上下游企业的协同，不断推进量子通信技术和产业发展。四是建立完善标准体系。充分发挥量子通信标准组的作用，组织相关研究单位进一步加强技术标准方面的跟踪，及时开展标准研究和制定，争取尽早在相关设备和网络标准方面取得实质性突破。（记者

　　转自：中国高新技术产业导报

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　　制作：中国科普博览

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　随着我国发射的世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”的顺利升空，中国将成为全球第一个实现卫星和地面之间量子通信的国家，我国将实现“天地一体化”量子通信网络的初步构建，这也将成为量子通信领域的中国最强音。

　　作为迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式，量子通信技术在金融、军事和政务等领域的应用前景得到了世界各国的广泛关注，美国、日本等国也启动了相关的研究计划。此次“墨子号”的发射，更巩固了我国在量子通信领域的世界领先地位。

　　作为全球首颗量子卫星其独特之处在哪里？“墨子号”都承担了哪些科学任务？量子卫星又是如何实现“针尖对麦芒”般的精准定位的？伴随着地面光纤量子通信网络“京沪干线”的建设完成，我国将初步建立起世界上首个广域量子通信体系，人类正在步入量子信息的崭新时代，“绝对安全”的信息传递将为社会进步注入新的发展能量，更多关于量子卫星的最新独家报道，我们邀请到了中国科学技术大学常务副校长、中科院量子科学实验卫星先导专项首席科学家潘建伟进行了专题访问。

　　独一无二的“量子卫星”

　　“墨子号”量子科学实验卫星是中科院空间科学先导专项首批4颗科学卫星之一，是继暗物质粒子探测卫星“悟空”、微重力返回式科学实验卫星“实践十号”之后的第三颗科学实验卫星，其主要任务是开展基于卫星平台的广域量子通信和量子力学基础原理检验。那么具体的科研任务有哪些？

　　潘建伟表示，此次“墨子号”量子实验卫星的主要科研任务有三个：首先，通过量子卫星实现卫星和地面的量子密钥分发，从而实现广域的量子保密通信。潘建伟解释，之所以需要通过发射卫星来建立天地之间的量子通信网络，是由于地面信号的传输主要以光纤为媒介，而光纤传输的过程中信号损失相当严重，实验表明光纤传输的量子通信信号在两百公里以后就几乎被吸收殆尽，如果人类想实现远距离的量子通信传输就必须建立多个安全可信的信号中继站，这无疑大大增加了信息泄露的几率。

　　科学家们经过研究发现，光在穿透大气层的过程中能量损失仅为百分之二十，也就是说天地之间数千公里甚至上万公里的距离，光在其间传输的损耗要远远低于在地面光纤网络中传输的损耗。利用这一原理，人类利用空间中的量子卫星作为地面网络的中转站，可以将地面多个城市中建立起的城际量子通信网络连接起来，从而极大地提高量子通信的效率。其次，“墨子号”还承担着对量子力学本身的基本原理进行检验的实验任务。

　　量子纠缠态是量子力学中的一个经典现象，即在多粒子量子系统中，一对具有量子纠缠态的粒子，即使相隔极远，当其中一个状态改变时，另一个状态也会即刻发生相应改变。这种现象称为“量子非定域性”，曾经被爱因斯坦等用来质疑量子力学理论的完备性，并引发了长期的争论和持续至今的各种检验。科学家们在地面上已在相距100公里的距离成功地验证了量子非定域性，但尚未做到严格无漏洞的终极检验。而量子卫星将把这个实验带到外层空间，将在国际上首次得以实现千公里量级的量子非定域性实验检验，对于人类加深对量子力学基础理论的认识具有重要的意义。第三，“墨子号”将连接中国和奥地利之间的量子通信网，以证明全球规模的量子通信网络设想是可行的。这也是我国在量子通信领域开展的第一个大型国际合作，潘建伟也表示，未来我国将与更多国家开展合作，共同推动量子通信领域的进步与发展。

　　潘建伟还介绍道，作为建设“天地一体化”通信网络的重要组成部分，“墨子号”量子卫星与普通卫星相比存在着巨大的差异。发射升空的量子卫星以及建设在地面的多个地面观测站，共同组成了前所未有的覆盖地面和空间的巨大实验网络。

图1 量子保密通信原理图

　　“针尖对麦芒”的精准定位

　　“墨子号”量子通信卫星作为天地一体化的空间中转站，其承担着发射和传输光信号的重要任务，如何保证距离地球表面数百公里的光信号能够顺利被地面光学天线接收，潘建伟形象化地解释道，这其中涉及到的关键性实验技术的难度就好比是“针尖对麦芒”一样。

　　潘建伟介绍说，由于卫星发射的光信号是极其微弱的单光子级别，在由空间向地面传输的过程中会受到许多因素的干扰，比如星光、灯光等都将成为干扰信号传输的背景噪声。此外，卫星的运动速度很快，地面的光学天线必须时刻紧跟卫星的“节奏”才有可能实现信号的准确接收。所以，在“墨子号”量子通信卫星的设计过程中，不仅要克服各种噪声的干扰保证信号源的稳定，同时还要实现与地面光学天线的准确对接。尽管是如同“针尖对麦芒”般苛刻的实验条件，但是在我国科学家的不懈努力下，如此困难的技术难题也依然得到了解决。

图2量子通信卫星概念图

　　保密通信的“京沪干线”

　　被称为“京沪干线”的地面量子通信网络，是“天地一体化”量子通信网络的地面组成部分。对于“京沪干线”的建设原理，潘建伟解释道：在建设地面量子通信网络的工程中，主要的应用都集中在城市范围内，将城市之间的城域网连接起来实现城际量子通信非常关键。据介绍，目前的技术仅能够达到点对点百公里量级的量子通信，所以就需要通过建立可信任的中继站点来起到信息中转的作用，连接相距数百公里两个城市的量子通信网络。已经建立起来的北京、济南、合肥、上海四个量子通信城域网，将在可信中继的帮助下，通过光纤串联起来，构成量子通信的“京沪干线”。未来还将会在每个城市中建设光学天线接收卫星的信号，这样，随着“墨子号”的顺利升空，地面的“京沪干线”与空间的量子卫星共同构成了覆盖全球的广域网络，充分利用卫星覆盖的广域性和光纤入户的便利性，从而真正实现“天地一体化”的量子通信。

图3广域量子通信网络示意图

　　开启量子通信新时代

　　随着量子卫星的发射升空和下半年“京沪干线”的完工，中国的广域量子通信体系为率先建成全球化的量子通信卫星网络奠定了基础，人类即将实现全球范围内卫星和地面间的首次量子通信。“天地一体化”的量子通信网络即将铺就，历经30余年的量子信息研究也将步入深化应用的时代。未来，量子通信不仅仅只是一种全新的加密通信手段，它将成为新一代信息网络安全解决方案的关键技术和日益普遍的电子服务的安全基石，成为保障未来信息社会可信行为的重要基础之一。也许就在不远的将来，量子通信技术将如同手机、电脑一般，走入寻常百姓家。

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量子通信卫星是干什么的？为什么说它在物理上绝对安全，不可窃听也不可破解呢？

本漫画来自 Sheldon（微信：sheldon42），绘制：赏鉴，极客公园已获得转载授权。

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