“墨子”入轨 中国领跑量子太空竞赛

示意图 卫星发出一对纠缠光子，两个站同时收到。

　　经过十三年准备，“墨子号”终于成功升空。

　　“墨子号”是世界上首颗量子科学实验卫星。量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟说，给它起名“墨子”，是因为墨子首先通过小孔成像实验发现了光沿直线传播，而且他也提出了某种意义上的“粒子论”。

　　带着中国先贤的名字，这颗卫星于凌晨发射至高度为500公里的预定轨道。半夜发射一颗太阳同步卫星，是为了保证它每次飞过中国上空都在夜间，夜间试验可以规避光线干扰。

　　那么，量子卫星的前世今生是什么？它是否会成为世界量子通信研究领域最亮的“星”？

　　量子卫星设想由来已久

　　“2003年，我们想到，为了真正实现远距离量子通讯，可能需要卫星。”8月15日，东风航天城的东风宾馆，潘建伟面对媒体回忆起量子卫星想法的诞生。

　　那时，距离潘建伟在中国建立第一个光量子操纵实验室，仅仅两年。

　　量子有许多神奇的特性，其中之一就是“纠缠”。对处于纠缠态的其中一个粒子进行操作，会影响到另一个粒子。不管这两个粒子相距多远，他们都有着不可思议的“心灵感应”。

　　于是，量子隐形传态的概念被提出：关于一个量子客体的全部信息在某个地点被扫描输入，又能在一个新的地点重构出来。

　　但是，传递处于纠缠态粒子的过程，充满着噪音、散射和各种形式的其他干扰，任何一种干扰都会破坏隐形传态所必需的精巧的量子关联。比如，纠缠光子通过光纤传输，但光纤会吸收光，这大大限制了光子的传输距离。潘建伟说，即使存在超出目前技术水平的10G赫兹理想单光子源和100%探测效率的理想单光子探测器，但若要在1000公里光纤中进行点对点量子通信，每300年也只能传输一个比特。“因此，要实现覆盖全球的广域量子保密通信，还需要借助卫星的中转。”

　　通过一系列的实验，量子隐形传态的距离纪录被中外科学家一再刷新。

　　2005年，潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验，证实光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持。

　　2007年开始，潘建伟与中科院一些机构合作，做地面验证。2010年，他们论证了发射卫星的可能性；2011年底，量子科学实验卫星项目正式立项。

　　困难全都得自己解决。

　　“墨子号”常务副总师兼卫星总指挥王建宇说，他的工作就是帮助科学家梦想成真。“2011年到今天，我们经历了原理样机、初样、正样几个阶段的努力。因为是国际上第一颗量子卫星，毫无参照。以前有些卫星任务，多少能找到参考，在国际做法的基础上改进。但量子卫星的困难全得自己解决。”

　　王建宇举了一个难点：“首先，卫星微弱的光发下来，地面要收到。一千公里远，0.7个角秒，对不准不行，而且地面要收到每一个光子。因为光的编码是偏振状态，我们不但要收到光子，还要完美检测偏振状态，才能变成密码。”

　　王建宇打比方说，这就相当于人坐在万米高空的飞机，向下扔一连串硬币，要扔进一个慢慢旋转的储币罐的缝里。必须瞄准好，因为硬币斜了也投不进去。而且，“密钥分发时候，每秒钟要接收1亿个光子。这些光子的次序还不能搞错，搞错就白收了。”王建宇说。

　　接受光子的望远镜的灵敏度，相当于月球上划一根火柴，地球上就要测到。而潘建伟则比作：在地球上能看清木星卫星上的车牌号。

　　“卫星上发出一对纠缠光子，要两个站同时收到，国际上从未做过。”王建宇说，“美国人做过一个点对准。他们是强光通信，要用强光引导。我们是弱光通信，用5种光，还要区分出来。”

　　潘建伟坦言，卫星研制过程中，遇到了各种难题，很难说哪个困难最大。他透露，在卫星设计过程中，他们也有过重要的调整。“宇宙中有很多高能粒子，我们的卫星要接受地面信号，需要红外探测器在宇宙环境中，单光子水平下长时间工作。西欧给出的测试报告，说探测器可以经受高能粒子打击。结果我们去验证，1个星期探测器就被打坏了。于是，我们就想将轨道搞低一点，避开高能粒子，但作用有限。后来我们又用了一种办法，让探测器即使身处高能粒子打击下，还能工作1年以上。”

　　建立跨大陆的量子通信连接

　　其实，在自由空间量子通信领域，潘建伟的竞争对手之一，就是他曾经的导师，奥地利科学院院长、物理学教授安东·蔡林格（Anton Zeilinger）。

　　从纠缠光子分发到量子隐形传态，中国团队和奥地利团队不断竞争，立下一个又一个里程碑。

　　蔡林格研究组同样一直在和欧洲空间局商讨建立量子卫星计划。但是，“它的运行机制太慢了，以至于没有做出任何决策”。

　　“墨子号”发射成功，中国团队在量子太空竞赛中，已经领先一步。

　　现在，潘建伟和蔡林格团队有了一个共同目标——在北京和维也纳之间生成和共享一个安全的量子密钥。

　　量子密钥，即发送方和接收方采用单光子状态作为信息载体来建立的密钥。单光子不可分割、不可复制，也无法被精确地测量。无论现在还是将来，无论破译者掌握怎样先进的窃听技术，基于量子力学原理而建立的密钥，不可能被破解。

　　这就是“绝对安全”。量子通信被视为保障未来信息社会通信安全的重要技术基础。

　　“随着中国科技的迅猛发展，我相信量子通信将在不到10年时间里辐射千家万户。期盼在我有生之年，能亲眼目睹以量子计算为终端、以量子通信为安全保障的量子互联网的诞生。”潘建伟说，“相信我国科学家做得到。”

　　奥地利的研究团队同样投入热情，加入这场新的国际合作。蔡林格说：“我的一个学生正开始学习汉语。”他希望，此次量子科学实验卫星项目，能够为两个大陆之间，建立起第一个量子通信连接。

　　2030年，建成全球化广域量子通信网络

　　这样的通信连接，还会有更多。

　　潘建伟说，从量子卫星到地面跨度为500公里，地面站之间相距1200公里，据他所知，这是国际上跨度最大的单个实验室。

　　他所说的地面站，是量子卫星科学应用系统的一部分。这个系统的配置为：1个中心——合肥量子科学实验中心；4个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站；1个平台——阿里量子隐形传态实验平台。

　　卫星的成功发射，并不意味着团队可以稍事休息，这条征途没有尽头。潘建伟心中的时间表，也已经排到了2030年。

　　“单颗低轨卫星无法覆盖全球，同时由于强烈的太阳光背景，目前的星地量子通信只能在地影区进行。要实现高效的全球化量子通信，还需要形成一个卫星网络。”潘建伟强调。

　　接下来，团队还要开展空间站“量子调控与光传输研究”项目。该项目将研究星间量子通信技术、全天时量子通信技术等，同时进行量子密钥组网应用、多种技术体制的空间激光通信验证、量子密钥分发与激光通信复合的加密信息传输系统等应用研究，为下一步的卫星组网奠定技术基础。

　　“如果进展顺利，国家也支持发射多颗量子通信卫星，那么有希望到2030年左右，建成全球化的广域量子通信网络。”潘建伟说。

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