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为什么要发展量子通信?

科技日报实习记者 李诏宇。发展

“夫事以密成,量通语以泄败。发展“在信息传递的量通过程中,泄密一直是发展人们广泛关注的问题,从古代贤君名臣的量通权争往事到现代大国之间的纵横机动。

如果一种通信方式能够快速、发展稳定、量通无损失,发展庞培就不会失去萨卢斯,量通马苏也不会失去街亭。发展历史上无数由信息传输错误引起的量通事件将被避免。

古人不幸今人幸福。发展成功解决问题的量通手段不是红岩传书,也不是发展鱼传尺素,而是一个看似神秘的概念——量子通信。

世界互联网大会数字文明尼山对话于6月25日至27日在山东举行。在成果展上,2022年发射升空的“济南一号”量子微纳卫星引起了广泛关注。随着量子通信在应用领域的发展,我们不禁开始思考量子通信将引领人类走向什么样的未来。量子卫星在其中扮演什么角色?

量子通信窃听难。

量子作为量子通信的基本概念之一,近年来出现在各种科幻作品中,但要准确定义它并不容易。

中国科学院量子信息与量子技术创新研究所教授级高级工程师廖胜凯表示,量子是现代物理的一个重要概念,即如果物理量有最小的不可分割的基本单位,物理量是量子的,最小单位称为量子。

德国物理学家普朗克提出了量子的概念,它最早被用来解释黑体辐射的能量现象。廖胜凯说:“后续的实验表明,角动量、电荷、能量等物理量也有不断变化的量子现象,牛顿经典力学理论框架之外的量子力学也会产生。”。

与牛顿经典力学相比,量子力学具有不确定性、测量坍缩性和不可克隆性等特点。这三个特征也成为量子通信可以实现的理论基础。

量子密钥分发是量子通信的研究内容之一。原则上,基于计算复杂性的传统加密技术有被破译的可能,破译的难度仅取决于计算能力是否强。随着数学和计算能力的不断提高,经典密码被破译的可能性越来越大。廖胜凯说:“与经典通信不同,量子密钥分发的安全性是基于物理学的基本原理,与计算的复杂性无关。通过量子态传输,用户在遥远的两个地方共享安全密钥,并使用密钥一次严格加密信息。这是人类唯一已知的无条件、安全的通信方式,原则上不可窃听、不可破译。”。

量子通信的另一个重要内容是量子隐形传态。利用量子纠缠,量子隐形传态可以准确地将粒子的未知量子态传递到遥远的地方,而不是粒子本身。量子隐形传态是构建分布式量子信息处理网络和量子计算机的基本要素。

使用卫星传输信息。

“工欲善其事,必先利其器。“无线电通信等传统通信方式需要基站等相关设备的支持。量子通信作为一种先进的通信手段,自然离不开许多先进的设备。由于量子通信通常使用单光子作为信息传输的物理载体,人们不禁会想,直接连接光纤是否足以满足远程量子通信的需要?

答案显然是否定的。损失已成为光纤法不可行的症结。“量子有不可克隆的原理,所以单光子量子信息不能像经典通信那样被放大。一旦传输距离较远,损失问题将变得极其严重。廖胜凯指出,“根据数据,通过1200公里的光纤,即使有单光子源和每秒100亿发射率的完美探测器,传输比特密钥也需要数百万年,这显然是完全不现实的。”。

1200公里的光纤可能还可以制造,但每秒100亿发射率的单光子源和完美的探测器是目前技术和其他实际情况无法企及的,更不用说人们不能等待数百万年的信息传输了。科学家们被迫寻找其他解决问题的方向。

由于地面无法通行,上帝成了可能的选择。“量子通信的距离可以通过卫星的帮助大大扩大,利用外太空几乎真空和光信号损耗非常小的特点。” 廖胜凯说:“此外,由于卫星具有覆盖整个地球的独特优势,使用卫星进行量子通信是实现全球规模超长距离实用量子通信最有前途的方式之一。”。

廖胜凯介绍,量子卫星按轨道高度可分为低轨卫星(2000公里以下)、中轨卫星(2000-20000公里)和高轨卫星(20000公里以上)三种。“这些卫星配备了一些量子通信设备,可以完成量子通信的某些任务,因此被称为量子卫星。” 廖胜凯说。

量子卫星也可以按重量分为小卫星(100-500kg)、微卫星(10-100kg)、纳卫星(1-10kg)、皮卫星(0.1-1kg)、飞卫星(10-100g)。“一般来说,卫星越小,发射成本越低,性价比越高。廖胜凯说。

廖胜凯指出,量子卫星的一个重要作用是扩大量子通信的距离作为中继,从而实现远距离、高难度的通信。“用于量子通信的地面基站(即可信中继)一般需要几十公里才能布置,成本高,维护困难。如果使用卫星传递信息,所有问题都将得到解决。廖胜凯说。

美好的未来可以期待。

虽然量子卫星的功能非常强大,但仅仅依靠一颗量子卫星来支持广域量子通信显然是不够的。形成卫星组网需要更多的量子卫星团结合作。

廖胜凯介绍,一般来说,实现卫星组网有两种解决方案。一种是由大量低轨卫星实时覆盖的网络。铱星计划、星链计划等都属于这类。“低轨卫星通常只通过地面站几分钟,所以需要数百甚至数万颗卫星。廖胜凯说。

另一种主要依靠中高轨道卫星,如地球同步轨道卫星,地面相对静止。“地球同步轨道约3.6万公里高,即目前广播电视卫星和常规通信卫星所在的轨道。廖胜凯说:“一般来说,三颗地球同步轨道卫星可以完成全球覆盖。”。

廖胜凯介绍,一般来说,低轨道卫星轨道低、信号强、传输速率高,但过境时间短,传输信息少;高轨道卫星轨道高、信号弱、传输速率低,但传输时间长,几乎全天工作,传输信息量大;中轨道卫星在高轨道卫星和低轨道卫星之间,具有两者的特点。

“应根据需要选择哪种形式的卫星。在使用卫星建立的量子网络中,通常需要综合使用三种类型的卫星。廖胜凯说。量子通信在量子卫星的祝福下取得了很大的进步。但在廖胜凯看来,要真正实现大规模应用,需要在政策和技术上继续努力。

从技术上讲,量子通信也应该朝着提高码率、提高距离、降低成本的方向发展。“目前,量子通信成熟产品的成码率仍然很低,通常每秒只能达到数千个比特(kbps)另一方面,成熟产品成本高,不利于大规模推广应用。廖胜凯介绍。

从政策角度来看,量子通信作为密码技术中密钥分发或密钥协商的一种方式,需要满足密码应用的合规性,形成行业标准,然后才能得到广泛的应用和推广。“虽然经过近十年的努力,国内外已经初步形成并发布了一些标准,但为了支持大规模应用,需要加大支持力度,形成完整的体系,提高评价认证能力。廖胜凯说。

尽管面临着一些挑战,但量子通信带来的未来无疑是极其令人向往的。“想象一下,在未来,每个人的隐私都会得到有效的保护,千里无损的传播也会容易如反掌。廖胜凯说:“我一直相信量子通信会带领人类走向更美好的未来!”。

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