中國科學技術大學利用“墨子號”量子科學實驗衛星實現安全時間傳遞

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  中國科學技術大學潘建偉及其同事彭承志、徐飛虎等利用“墨子號”量子科學實驗衛星,在國際上首次實現量子安全時間傳遞的原理性實驗驗證,為未來構建安全的衛星導航系統奠定瞭基礎。該成果於2020年5月11日在線發表在國際學術知名期刊《自然·物理》上。
  高精度時間傳遞是日常生活中導航、定位等應用的核心技術。現階段廣泛采用的時間傳遞技術主要包括衛星導航定位系統時間傳遞、光纖網絡時間傳遞等方案。近年來,時間傳遞的安全性得到瞭廣泛關註。各種網絡系統,例如計算機網絡、金融交易市場、電力能源網絡等,都需要統一的時間基準。如果這些系統遭受到惡意攻擊,其引起的時間錯誤將會引起網絡崩潰、導航定位錯誤等重大安全性事故。然而,當前廣泛使用的時間傳遞技術面臨著數據篡改、信號欺騙等各種攻擊的潛在風險。
  量子通信技術為安全時間傳遞帶來瞭新的解決方案。基於量子不可克隆原理,以單光子量子態為載體的時間傳遞技術可以從根本上保證信號傳輸過程的安全性。潘建偉團隊首次提出瞭基於雙向自由空間量子密鑰分發技術的量子安全時間同步方案。在該方案中,單光子量子態同時作為時間傳遞和密鑰分發的信號載體,進行時間同步和密鑰生成。這個過程所生成的密鑰用來加密經典時間數據,從而確保時間數據的安全傳輸。
  基於“墨子號”量子科學實驗衛星,潘建偉團隊突破瞭星地單光子時間傳遞、高速率星地雙向異步激光時間應答器等關鍵技術,實現瞭星地量子安全時間同步的技術驗證,獲得瞭30 ps精度的星地時間傳遞,此精度達到瞭星地激光時間傳遞的國際先進水平。該工作得到瞭審稿人的高度評價“該實驗在空間量子實驗領域又一次超越瞭現有技術水平(The experiment once again pushing beyond state of the art with respect to space-based quantum experimentation)”,“這對於量子技術的實用化至關重要(which is critical towards practical use and ultimately commercialization of quantum technologies)”。上述研究成果將極大地推動量子精密測量相關領域的研究和應用。
  該工作得到瞭科技部、自然科學基金委、中科院、安徽省和上海市等的資助。