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王建宇:中国的量子通信研究走在世界前沿

2016-09-03 10:31
安娜PARKER
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  8月16日,我国成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。量子通信是中国处于全球研究第一阵营的项目之一。去年冬天,澎湃新闻记者就有关量子通信的问题采访了中国科学院上海分院副院长王建宇。

  量子通信利用了物质的量子特性

  澎湃新闻:什么是量子通信?

  王建宇:到目前为止,是利用物质的量子特性,来对通信过程保密,进行加密。并不是说我把信息用量子当作载体,而是产生秘钥。所以我们的实验,另一个名词叫量子秘钥分发,或量子秘钥分配。

  量子通信的基本原理利用了量子的粒子性。量子是一份一份的,所以两个人通信的时候,甲给乙的信号,你收到了,别人就收不到,如果中间过程有窃听或者有丢失,别人收到了,你就收不到。这个过程当中,凡是收到的信号,只有甲和乙知道,别人就不可能窃听。假设窃听的人有很大的能力,它可以把量子里面的东西,每个量子态收到以后,拷贝以后,再发给你,这里面又用到了量子力学另一个原理,就是测不准原理,或叫不可复制原理。量子态通过复制以后,再生成一个量子态,它的误码率就会增加,所以我们两个通讯的人在最后只要去计算我们两个收到的码和发出的码的误码率,如果超过一定的量,这个码就不安全,我可以不要。而如果这个误码率低于多少,那我从数学上可以严格证明,它一定是安全的。

  所以目前我们做的量子通信,就是通过量子的方法产生秘钥,然后确保通信载体的安全性,今后可以把每一个量子作为信息来调制,这方面的研究也在做。

  澎湃新闻:量子通信具体怎么做?

  王建宇:我从空间打下一束一束光,但这个激光非常弱,每一次发射,我们是控制在0.8个光子,或者0.5个光子。因为光弱到一定的时候,是一份一份的,所以我每次调制到非常小,然后下来以后有一个概率问题。我最好有个设备,每次都发一个光子,但这个做不到的,要么成本非常高,我们现在就是用弱光子来做,但是它这么小的光,我地下怎么接得到啊?它是发的小,但是频率很高,我们一秒钟发50兆个脉冲,整个光子数是50兆或者100兆乘以0.8,这样来提高它的亮度,然后我地面就能接收。不是所有都能接收到的,我可能接收到十分之一,也可能接收到百分之一,大概能够接收到成码的几十K,作为通信的密码足够了。

  以后如果你要把量子作为载体的话,那你这么低的概率就不行,而必须都能收到。最早量子通信在地面就是在光纤里面做的,因为光纤里面,要比自由空间里面条件好得多,激光一头进去,跑不到外面去的。但是光纤有一个弱点,因为光纤是靠光的全反射,激光在光纤里跑的时候,它在光纤壁上不断在反射,有损耗。损耗到一定程度时,量子通信就做不成了。所以用光纤做,距离是有限的,做不成全球的量子通信,我卫星就能做到全球的。

  中国的量子通信研究走在世界前沿

  澎湃新闻:我们国家量子通信研究进展怎样?

  王建宇:我们国家量子通信领域应该说是走得比较快的,特别是国外留学的科学家、博士回国(有很多)。我们这个工作都是跟中国科技大学潘建伟院士合作的,他21世纪初回来以后就一直在做,这方面的成就全世界公认。我们是走在全世界前沿的。

  我们有一个名词叫量子调控。以前对量子现象可以去观察、分析,但到21世纪,人已有能力去控制这个量子现象,可以去调控它,所以叫量子调控。现在这方面真正有应用前景的,一个是量子通信,一个是量子计算。相对来说,量子通信做得快一点,现在可以初步进行实际的验证和初步的应用。

  澎湃新闻:你们为什么会做量子通信?

  王建宇:我们上海技术物理研究所一直是做红外光电探测技术的,有一部分应用是遥感领域。现在大家看到的天气预报,这里就有我们做的多光谱红外相机在天上拍,现在精度要求越来越高。把光电通信技术、光通信技术用在量子通信上面,是我们现在在做的工作。

  澎湃新闻:红外和光电探测怎么和量子通信有关系?

  王建宇:红外和光电探测,最早是被动的,就是太阳照在地球上,反射上去,我从卫星上看,获得物理量,这是一种探测。这个还是一种大信号的探测。后来有了激光以后,我们可以用激光来做主动探测。前面一种是被动的,光源是太阳下来的。到激光以后,就是一种主动探测,设备先发出一束激光,探测激光在物质上作用以后,我们叫回波,我们探测这个信号来分析地面目标的特性。

  比如我测距离,过去以后回来多少时间。第二种,我也可以激光探测物质的特性,比如它反射率是多少。量子是主动的非常弱的光电探测,它每次发的就是零点几个光子,这个就比一般的激光主动光源更难。我们原来是做被动的,后来又做主动的激光探测,从光的探测原理上讲是一样的,但光的源和强度不一样。当然在难度上,越弱、越主动的越难。我们实验室也是这么走过来的,从一般的被动探测到主动探测,到非常弱光的主动探测。

  中国航天成果越大,美国人的禁运就越厉害,它觉得你发展太快了。但禁运也是一只双刃剑。举个例子,我们的探测器、传感器是核心部分。可见光的传感器,军事运用相对弱一点,国外一般是不完全禁运的,而红外探测器绝对是禁运的,所以我们现在上天的红外探测器都是自己做的。可见光的传感器就不行,因为它能运进来,相对国内发展就慢。国外不卖给你,你没办法,就得自己想办法做出来。有时候禁运反而促进了你这个方向的发展。

  澎湃新闻:这对我们的半导体工业要求比较高?

  王建宇:所以国家科技重大专项,第一项就是“核高基”嘛,就是“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”的研制。我们现在做的核心红外器件,都是自己做的,这买不到,但是差距还是存在的,得先解决已有的问题,一点一点做。

  原来有一个摩尔定律,说是集成电路上可容纳的晶体管数目,18个月翻一倍,价格低一倍。老早就说摩尔定律要被推翻了,但有一点是确定的,就是现在要建一条完全的半导体供应线,那是数百成千亿美金的投入,量很大,不是很小的一个集团能够投得起的。但是现在的半导体设计,确实变成小企业可以做的事情了。中国人设计不笨啊,都能做,如果能有好的平台,也能做出东西来。

  经费永远短缺,针对中间层人才政策不够

  澎湃新闻:科研经费立项、分配机制是怎样的?

  王建宇:在科学院里面,我们是偏应用研究和工程研究一类的,所以我们的产品绝大部分是国家的特殊需求,比如说气象卫星、环境监测卫星。经费渠道是多方位的,一个我们现在国家还会给一些基础研究经费,以前叫事业费,现在叫创新经费,这还是小头的。主要还是根据国家的需求,在国家的大平台上,通过竞争得到国家的支持,这块是大头。比如国家需要发展气象卫星或量子卫星,这个任务出来以后,有这个能力的人都可以去应标。

  澎湃新闻:经费感觉充裕吗?

  王建宇:经费永远是短缺的,要看你怎么比。如果和自己比,和过去比,国家在这方面的保障已经强很多了,某种程度上说,我们的科研已经进入到比较好的良性循环阶段了。和国外的投入比,我们还是低一点。但中国人还是有中国人的办法,通过自己的努力,同样能完成和国外(差不多的成果),甚至有些地方能够超过国外了。

  澎湃新闻:人才引进方面如何?

  王建宇:人才竞争是最关键的。现在国家有很多人才计划,高端的像国家千人计划,中国科学院的百人计划。具体到上海,到我们研究所,不单自己户口没问题,家属的户口也没有问题。人才是要有梯队的,比如有顶尖人物,还要有一批骨干和中间层。针对中间层人才,目前有一定的政策,但我个人认为是不够的。我们技术物理研究所每年培养几十个甚至上百个博士,但是真正能留下来的没有几个。留不下来的主要原因,还是和民企和国外相比,在待遇上有差距,包括能够落户的,还要经过打分什么的。这方面(能不能)给予进一步的政策,是吸引人才现在比较难的问题。

  共性管理和特殊管理怎么统一,是学问

  澎湃新闻:经费立项之后,怎么管理?

  王建宇:我们技术物理研究所的政策是属于全成本核算。经费申请到了,特别是工程任务,它不是一个教授或研究员的钱,是整个团队的。它是按计划,由专门机关来管理这个经费,要按计划、按节点、按需求来使用。而且现在国家对经费使用越来越严格,买老酒的钱是不能去买醋的。下面的研究人员也是按需求,然后分步来使用。

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