中国新突破 海水量子通信对世界意味着什么

行者

中国新突破 海水量子通信对世界意味着什么


近年来，中国的科研团队在量子通信领域不断爆出世界级研究成果。

继“墨子号”量子卫星在世界上首次实现千公里量级的量子纠缠分发，首次成功实现白天53km远距离自由空间量子密钥分发，首次成功实现星地间远距离量子密钥分发、量子隐形传态后，中国量子科技一直在持续发力。近日，中国高校科研团队在世界上首次完成了海水量子通信实验，再次实现了世界级突破。

海水量子通信一直是世界级科研难题

中国《科技日报》北京时间8月28日报道，上海交通大学金贤敏团队成功进行了世界首个海水量子通信实验，观察到了光子极化量子态和量子纠缠可在海水中保持量子特性，在国际上首次通过实验验证了水下量子通信的可行性。

该成果发表在最新一期的《光学快报》杂志上，并被列为编辑推荐。报道强调，该成果向未来建立水下及空海一体量子通信网络迈出重要一步。 

量子通信具有绝对保密、通信容量大、传输速度快等优点。量子的不可克隆性让其成为绝对安全的通信方式，但也让量子信号不能像经典通信一样通过复制被放大，加上地面传输信号损耗极大，真正实现量子通信存在着诸多需要攻克的难点。 

早前，基于光纤和自由空间大气信道的量子通信已被证明可行，而海洋能否用作量子信道一直未被得到证明。金贤敏对媒体表示，“缺少了海洋，全球化的量子通信网是不完整的。”
海水量子通信为何一直是世界级科研难题？

放眼全球，世界各国都在积极研究如何突破海水通信的难题。

基于海水的量子通信理论上是可行的，尽管相比光纤和大气，海水中悬浮物和盐度等对光子导致的散射和损耗效应要大得多，但科研发现，海水也是有着一个光子传输时损耗较低的蓝绿窗口的，且其能被商用单光子探测器探测到，这也意味着用蓝绿激光可以实现海水量子通信。

中国新突破 海水量子通信对世界意味着什么

中科院量子模拟实验室内的超冷原子光晶格平台的激光伺服系统

但因海水对激光和电磁波的损耗极大，实际上实现水下通信极为困难。实践证明，长波水下通信耗资巨大，辐射极强，且长波台天线长达100多公里。

再者，超长波信道窄，导致当前的水下通信速率极低，发送一组3个字母的信号约需15分钟。资料显示，潜艇收一封电报要半个小时，这若放在战时，明显满足不了瞬息万变的战况实际需求。

至于在陆地上日常可见的人们互通电话或者发送图文视频，实现即时通讯……在海水深处实现这些功能，却成了一件天方夜谭般的传说。

美国早前在上世纪80年代已开始试验用蓝绿激光对潜通讯：470-540纳米的最佳海水穿透窗口正好对应蓝绿激光波长，455纳米的蓝绿激光对海水穿透深度可达300米。

从公开报道可见，美国海军从1977年提出卫星利用激光-潜艇通信的可行性后，迄今为止共进行了6次海上大型蓝绿激光对潜通信试验，已成功进行12千米高空对水下300米深海的潜艇的单工激光通信试验。

在此次公开的最新实验中，中国的金贤敏团队选择光子的极化作为信息编码的载体，并通过模拟证明，在非常大的损耗和散射下，极化编码的光子只会丢失，而不会发生量子比特翻转。

这也就意味着，即使经历了海水巨大的信道损耗，只要有少量单光子存活下来，仍可被用于建立安全密钥用于量子通信，而不会出现乱码。

中国由此亦宣布了在国际上首次通过实验，对水下量子通信的可行性进行了验证。

海水量子通信实验的成功意味着什么？

上交大的金贤敏团队实验结果显示，水下量子通信可达数百米，虽然信道较短，但能对水下百米量级的潜艇和和反潜节点等进行保密通信，即使是从水下几米深之处对卫星和飞行器进行保密通信，也比之前所公认的海水是“通信禁区”更进了一步。

这无疑宣告了海水量子通信技术能在军事等领域“大显身手”，“大有可为”。

此次的实验结果虽然只是朝水下量子通信迈出了初始的一步，离实用化的水下、空海一体量子通信连线和网络尚有距离，但毫无疑问，金贤敏团队最新研究成果向世人描绘了一幅场景，实现量子通信技术的上天、入地、下海的未来可期。

行业专家揭示，量子通信在国防和军事应用领域有着无与伦比的广阔应用前景，借助量子隐形传输以及超大信道容量、超高通信速率等特点，可以建立满足军事特殊需求的超光速军事信息网络。

而放眼全球，目前中国是唯一实现水下量子通信的国家，受益于此，在中国最新的095和096核潜艇将实现高效保密的量子通信，而在将来，中国必然会建立空海一体的量子通信网络。

种种迹象，对西方而言并不是一件心安之事。全球量子通信已是中国、美国和欧洲三方上演的争霸战。欧盟在2016年3月发布《量子宣言》，并于两月后在欧盟量子大会上宣布启动10亿欧元（1欧元约合1.1645 美元）的“量子技术旗舰计划”，以确保欧盟在量子技术领域的主导地位。

美国国家科学基金会（NSF）也已正式提出将“量子飞跃：引领下一代量子革命”作为未来重点支持的六大科研前沿之一。 

而中国在量子通信这一领域进展神速，不断取得突破性成就。据中国科学空间报道，在十八大、“中国抗战胜利70周年阅兵”等重要活动上，中国已然开始运用量子保密通信装备，为国庆阅兵等重要信息传送提供必要保障。并且，一些具有实验性质的商业项目也逐渐加入。

“很明显他们是量子科技的世界领跑者”，加拿大滑铁卢大学量子项目成员托马斯•詹内怀恩（Thomas Jennewein）表示，他们的团队以及世界上的其他团队现在正在追赶中国团队。目前，奥地利已经与中科院科研团队展开合作，德国、意大利等国家的科研团队也在申请加入合作研究。

《印度教徒报》早前有发出评论，中国的努力突出表明，西方在科学领域的主宰地位已经大幅丧失，而中国在海水量子通信领域实验的成功无疑再次加重了西方的焦虑。