研究进展

中国科大成功验证构建天地一体化量子通信网络的可行性

北京时间1月7日凌晨,中国科学技术大学潘建伟及其同事陈宇翱、彭承志等与中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院及中国有线电视网络有限公司合作,在国际学术期刊Nature杂志上发表了题为“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”(An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres)的论文。

研究团队在量子保密通信京沪干线与“墨子号”量子卫星成功对接的基础上,构建了世界上首个集成700多条地面光纤量子密钥分发(QKD)链路和两个星地自由空间高速QKD链路的广域量子通信网络,实现了地面跨度4600公里的星地一体的大范围、多用户量子密钥分发,并进行了长达两年多的稳定性和安全性测试、标准化研究以及政务金融电力等不同领域的应用示范。论文是对上述成果的一个系统性总结,证明了广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟。我国科研人员通过构建天地一体化广域量子保密通信网络的雏形,为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络奠定了科学与技术基础。

中国科大在量子通信领域取得重要进展:首次在自由空间信道实现测量设备无关量子密钥分发实验

近日,中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、张强等与清华大学王向斌,中科院上海微系统所尤立星等人合作,首次在国际上实现了基于远距离自由空间信道的测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)实验。相关成果于2020年12月23日以编辑推荐(Editors' Suggestion)的形式在线发表在《物理评论快报》上(Phys. Rev. Lett. 125, 260503 (2020))。美国物理学会Physics网站以“量子物理保证无线通信安全 ”(Securing a Wireless Link with Quantum Physics)为题专门对该工作做了报道。这项成果不仅实现了将MDI-QKD从光纤信道拓展到自由空间信道的突破,也开启了在自由空间信道中实现基于远距离量子干涉的更复杂的量子信息处理任务的可能。

中国科学家实现“量子计算优越性”里程碑

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,构建了76个光子的量子计算原型机“九章”,实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。根据现有理论,该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍(“九章”一分钟完成的任务,超级计算机需要一亿年)。等效地,其速度比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑:量子计算优越性(国外也称之为“量子霸权”)。相关论文于124在线发表在国际学术期刊《科学》。

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中国科大在分布式量子精密测量方面取得重要进展

中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陈宇翱、徐飞虎等利用多光子量子纠缠在国际上首次实现分布式量子相位估计的实验验证,这为将来构建基于量子网络的高精度量子传感奠定基础。该成果于11月30日在国际学术知名期刊《自然·光子学》上在线发表。

分布式传感是一种可用于同时执行远程空间多个节点上精密测量任务的重要手段,在日常生活、科学研究和工程等领域有着广泛的应用。例如,该项技术可用于桥梁、飞机等大型结构的应力场分布和温度场分布的有效监测。随着量子技术的不断发展,传感技术也迈进了量子化时代。量子网络作为量子信息和量子计算的重要组成,在执行各类远程多节点任务中起着重要作用。当对多个空间分布的参量进行测量时,分布式量子传感能够实现超越经典统计极限的测量精度。然而,分布式量子传感面对的一个重要问题是:如何选择并制备能够实现对多个参量最优的测量精度的量子纠缠态。研究表明,对于某类分布式的最大纠缠态,理论上能够达到最优测量精度,即海森堡极限。

量子计算和量子模拟研究获重要突破:中国科大在71个格点的超冷原子量子模拟器中成功求解施温格方程

中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与德国海德堡大学、意大利特伦托(Trento)大学的合作者在超冷原子量子计算和模拟研究中取得重要突破:他们开发了一种专用的量子计算机---71个格点的超冷原子光晶格量子模拟器,对量子电动力学方程施温格模型(Schwinger Model)进行了成功模拟,通过操控束缚在其中的超冷原子,从实验上观测到了局域规范不变量,首次使用微观量子调控手段在量子多体系统中验证了描述电荷与电场关系的高斯定理,取得了利用规模化量子计算和量子模拟方法求解复杂物理问题的重要突破。北京时间11月19日,国际著名学术期刊《自然》杂志发表了该研究成果。

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中国科大在基于单光子源的量子精密测量方面取得重要进展

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等与美国普林斯顿大学Marlan Scully、德国维尔兹堡大学Sven Hofling等合作,在同时具备高纯度、高不可分辨、高效率的单光子源器件上观察到强度压缩,为基于单光子源的量子精密测量奠定了基础。论文以“编辑推荐”形式近日发表于《物理评论快报》。美国物理学会Physics网站以“面向完美的单光子源”(Toward a Perfect Single-Photon Source)为题专门对该工作做了高亮报道。

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单光子源是光量子信息技术中的关键器件,不仅可以应用于量子通信、量子计算(特别是玻色取样),同时也是量子精密测量的重要资源。量子精密测量中的一个重要方向是减少由于探测有限粒子而引起的统计涨落——散粒噪声。

我国在超冷原子量子计算与量子模拟领域取得重要进展 ——中国科大在超冷原子光晶格中实现大规模高保真度量子纠缠对的同步制备

 中国科学技术大学潘建伟、苑震生等在超冷原子量子计算和模拟研究中取得重要进展。他们在理论上提出并实验实现原子深度冷却新机制的基础上,在光晶格中首次实现了1250对原子高保真度纠缠态的同步制备,为基于超冷原子光晶格的规模化量子计算与模拟奠定了基础。北京时间6月19日,国际著名学术期刊《科学》杂志以“First Release”形式在线发布了该研究成果。

    基于量子力学的基本原理,量子计算和模拟被认为是后摩尔时代推动高速信息处理的颠覆性技术,有望解决诸如高温超导机制模拟、密码破解等重大科学和技术问题。量子纠缠是量子计算的核心资源,量子计算的能力将随纠缠比特数目的增长呈指数增长。因而,大规模纠缠态的制备、测量和相干操控是该研究领域的核心问题。实现大规模纠缠态的通常途径是,先同步制备大量纠缠粒子对,然后通过量子逻辑门操作将其连接形成多粒子纠缠。因此,高品质纠缠粒子对的同步制备是实现大规模纠缠态的首要条件。十几年来,已有很多实验在光子、囚禁离子、中性原子等系统中演示了操控多个量子比特进行信息处理的可行性。但是,以往的工作中,受限于纠缠对的品质和量子逻辑门的操控精度,目前人们所能制备的最大纠缠态距离实用化的量子计算和模拟所需的纠缠比特数和保真度还有很大差距。

“墨子号”实现基于纠缠的无中继千公里量子保密通信

中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、印娟等组成的研究团队,联合牛津大学Artur Ekert、中科院上海技术物理研究所王建宇团队、微小卫星创新研究院、光电技术研究所等相关团队,利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。该实验成果不仅将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级,并且通过物理原理确保了即使在卫星被他方控制的极端情况下依然能实现安全的量子通信,取得了量子通信现实应用的重要突破。6月15日,研究团队在国际著名学术期刊《自然》杂志上在线发表了题为“基于纠缠的千公里级安全量子加密(Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres)”的研究论文。《自然》杂志为此专门发布了题为“基于卫星的远距离安全通信(Quantum physics: Long-range satellite-based secure communications)”的新闻稿(Press release)加以推介。

中国科大利用“墨子号”量子科学实验卫星实现安全时间传递

中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、徐飞虎等利用“墨子号”量子科学实验卫星,在国际上首次实现量子安全时间传递的原理性实验验证,为未来构建安全的卫星导航系统奠定了基础。该成果于2020年5月11日在线发表在国际学术知名期刊《自然·物理》上。

高精度时间传递是日常生活中导航、定位等应用的核心技术。现阶段广泛采用的时间传递技术主要包括卫星导航定位系统时间传递、光纤网络时间传递等方案。近年来,时间传递的安全性得到了广泛关注。各种网络系统,例如计算机网络、金融交易市场、电力能源网络等,都需要统一的时间基准。如果这些系统遭受到恶意攻击,其引起的时间错误将会引起网络崩溃、导航定位错误等重大安全性事故。然而,当前广泛使用的时间传递技术面临着数据篡改、信号欺骗等各种攻击的潜在风险。

量子通信技术为安全时间传递带来了新的解决方案。基于量子不可克隆原理,以单光子量子态为载体的时间传递技术可以从根本上保证信号传输过程的安全性。潘建伟团队首次提出了基于双向自由空间量子密钥分发技术的量子安全时间同步方案。在该方案中,单光子量子态同时作为时间传递和密钥分发的信号载体,进行时间同步和密钥生成。这个过程所生成的密钥用来加密经典时间数据,从而确保时间数据的安全传输。

中国科大成功实现500公里地基量子密钥分发

近日,中国科学技术大学潘建伟、张强、陈腾云等与清华大学王向斌、马雄峰合作,突破远距离独立激光相位干涉技术,分别实现了500公里量级真实环境光纤的双场量子密钥分发(TF-QKD)和相位匹配量子密钥分发(PM-QKD)。相关研究成果分别于近期发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》(并被选为“编辑推荐”文章)和《自然·光子学》上。

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