“墨子號”，搶占量子科技創(chuàng)新制高點(diǎn)

　　日前，中國科學(xué)院在京召開新聞發(fā)布會對外宣布，“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星提前并圓滿實(shí)現(xiàn)全部三大既定科學(xué)目標(biāo)，為我國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗(yàn)前沿研究奠定了堅實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國家天文臺、紫金山天文臺、南京天文儀器有限公司、國家空間科學(xué)中心等，在中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，利用“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。兩項(xiàng)成果于8月10日同時在線發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。這是繼先前在國際上率先實(shí)現(xiàn)千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)的研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志之后，我國科學(xué)家利用“墨子號”量子衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的空間量子物理研究另外兩項(xiàng)重大突破。

　　中國科學(xué)院院長、黨組書記白春禮表示，“墨子號”開啟了全球化量子通信、空間量子物理學(xué)和量子引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的大門，為我國在國際上搶占了量子科技創(chuàng)新制高點(diǎn)，成為國際同行的標(biāo)桿，實(shí)現(xiàn)了“領(lǐng)跑者”的轉(zhuǎn)變。

　　量子保密通信是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式

　　通信安全是國家信息安全和人類經(jīng)濟(jì)社會生活的基本需求。千百年來，人們對于通信安全的追求從未停止。然而，基于計算復(fù)雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù)，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數(shù)學(xué)和計算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。

　　潘建偉說：“通過量子通信可以解決這個問題。也就是說，把量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合，利用量子調(diào)控技術(shù)，用一種革命性的方式對信息進(jìn)行編碼、存儲、傳輸和操縱，從而在確保信息安全、提高運(yùn)算速度、提升測量精度等方面突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。”

　　通常認(rèn)為，量子通信主要研究內(nèi)容包括量子密鑰分發(fā)（量子保密通信）和量子隱形傳態(tài)。

　　量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。

　　“通俗來講，量子密鑰分發(fā)，就好比一個人想要傳遞秘密給另外一個人，需要把存放秘密的箱子和一把鑰匙傳給接收方。接收方只有用這把鑰匙打開箱子，才能取到秘密。沒有這把鑰匙，別人無法打開箱子，而且一旦這把鑰匙被別人動過，傳送者會立刻發(fā)現(xiàn)，原有的鑰匙作廢，再給一把新的鑰匙，直到確保接收方本人拿到。”潘建偉說。

　　那么，為什么鑰匙被別人一碰，就能立刻被知曉呢？

　　因?yàn)椋茖W(xué)家利用量子有多個疊加態(tài)的原理，用量子作為密鑰。這樣一來，一旦有人試圖截獲或測試量子密鑰，就會改變量子狀態(tài)，科學(xué)家便能立刻從改變中發(fā)現(xiàn)有人動了鑰匙。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性，就能實(shí)現(xiàn)無條件安全的通信方式。

　　量子通信的另一重要內(nèi)容量子隱形傳態(tài)，是利用量子糾纏特性可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身，通過隱形傳輸實(shí)現(xiàn)信息傳遞。遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)是實(shí)現(xiàn)分布式量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元。

　　外太空光信號損耗非常小，因此通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離

　　量子通信通常采用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離的增加而指數(shù)增加。由于量子不可克隆原理，量子通信的信號不能像經(jīng)典通信那樣被放大，這使得之前量子通信的世界紀(jì)錄為百公里量級。根據(jù)數(shù)據(jù)測算，通過1200公里的光纖，即使有每秒百億發(fā)射率的單光子源和完美的探測器，也需要數(shù)百萬年才能建立一個比特的密鑰。因此，如何實(shí)現(xiàn)安全、長距離、可實(shí)用化的量子通信是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國際學(xué)術(shù)界幾十年來奮斗的共同目標(biāo)。

　　中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總師、衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮王建宇說：“利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點(diǎn)，通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離。同時，由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個地球的獨(dú)特優(yōu)勢，是在全球尺度上實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離實(shí)用化量子密碼和量子隱形傳態(tài)最有希望的途徑。”

　　從本世紀(jì)初以來，該方向已成為國際學(xué)術(shù)界激烈角逐的焦點(diǎn)。潘建偉團(tuán)隊(duì)為實(shí)現(xiàn)星地量子通信開展了一系列先驅(qū)性的實(shí)驗(yàn)研究。

　　2003年，潘建偉團(tuán)隊(duì)提出了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)星地間量子通信、構(gòu)建覆蓋全球量子保密通信網(wǎng)的方案，隨后于2004年在國際上首次實(shí)現(xiàn)了水平距離13公里（大于大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)，驗(yàn)證了穿過大氣層進(jìn)行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正式立項(xiàng)。2012年，潘建偉領(lǐng)銜的中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了首個百公里的雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，充分驗(yàn)證了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)量子通信的可行性。2013年，中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了模擬星地相對運(yùn)動和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，全方位驗(yàn)證了衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)的可行性。隨后，該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過艱苦攻關(guān)，克服種種困難，最終成功研制了“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。“墨子號”衛(wèi)星于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過4個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

　　為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)

　　此次完成的星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)是“墨子號”量子衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師、衛(wèi)星系統(tǒng)副總師彭承志說：“量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號，地面接收的方式。‘墨子號’量子衛(wèi)星過境時，與河北興隆地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數(shù)量級（萬億億倍）。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬個信號光子，一次過軌對接實(shí)驗(yàn)可生成30萬比特的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)1千1百比特每秒。”

　　潘建偉表示，這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。“以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)展到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網(wǎng)（如合肥量子通信網(wǎng)、濟(jì)南量子通信網(wǎng)、京滬干線）互聯(lián)，可以構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò)。”

　　地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)是“墨子號”量子衛(wèi)星的另一個科學(xué)目標(biāo)之一。

　　“量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式，‘墨子號’量子衛(wèi)星過境時，與海拔5100米的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產(chǎn)生8000個量子隱形傳態(tài)事例，地面向衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，實(shí)驗(yàn)通信距離從500公里到1400公里，所有6個待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。”彭承志說：“假設(shè)在同樣長度的光纖中重復(fù)這一工作，需要3800億年（宇宙年齡的20倍）才能觀測到1個事例。這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究，以及空間量子物理學(xué)和量子引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。”