“墨子号”，抢占量子科技创新制高点

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日前，中国科学院在京召开新闻发布会，宣布墨子量子科学实验卫星提前成功实现了既定的三大科学目标，为中国今后继续引领世界量子通信技术发展和空尺度量子物理基础问题研究前沿奠定了坚实的科技基础。

该研究团队由中国科技大学潘建伟教授和他的同事彭承志组成，联合上海技术物理研究所王建宇研究组、微卫星创新研究所、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、南京天文仪器有限公司、国家空科学中心等。在Sciences/きだ中国科学院，这两项成果于8月10日发表在国际权威学术期刊《自然》上。这是继量子力学的双向量子纠缠分布和非局域性测试的研究成果发表在《科学》杂志上之后，中国科学家利用墨子量子卫星在量子物理研究中取得的又两大突破。

中国科学院院长、党组书记白李春说，墨子开启了空之间的全球量子通信、量子物理和量子引力实验检验之门，抢占了世界量子科技创新的制高点，成为国际同行的标杆，实现了“领头羊”的转变。

量子保密通信是目前人类已知的唯一无条件保密的通信方式，不能被窃听和破译

通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本要求。几千年来，人们对通信安全的追求从未停止过。然而，基于计算复杂性的传统加密技术在原理上有被破译的可能性。随着数学和计算能力的提高，破译经典密码的可能性日益增加。

潘剑伟说:“这个问题可以通过量子通信解决。也就是说，将量子物理与信息技术相结合，利用量子控制技术对信息进行革命性的编码、存储、传输和操作，从而保证信息安全，提高计算速度和测量精度。突破经典信息技术的瓶颈。”

一般认为，量子通信的主要研究内容包括量子密钥分配(量子安全通信)和量子隐形传态。

量子密钥分发，通过量子态的传输，允许遥远地方的用户无条件地共享安全密钥，并使用密钥一次严格地加密一个信息。这是人类已知的唯一无条件安全的通信方式，不能被窃听和破译。

“一般来说，量子密钥分发就像一个人想把一个秘密传给另一个人，而需要把秘密盒子和一把密钥传给接收者。接收者只有用这把钥匙打开盒子才能得到这个秘密。没有这个密钥，其他人就无法打开盒子，一旦这个密钥被其他人移动，发送者将立即发现原来的密钥无效，并给出新的密钥，直到确保接收者自己得到它。”潘剑伟说道。

那么，为什么钥匙被别人碰了一下就能马上知道呢？

因为科学家利用了量子具有多重叠加态的原理，并把量子作为钥匙。这样，一旦有人试图拦截或测试量子密钥，它将改变量子状态，科学家可以立即发现有人从改变中触摸到了密钥。因此，通过利用量子不可着色和不可分割的特性，可以实现无条件安全的通信。

量子通信的另一个重要内容——量子隐形传态，是利用量子纠缠可以将未知的物质量子态精确地传输到遥远的地方，信息传输可以通过隐形传态来实现，而不是通过物质本身来传输。远程隐形传态是实现分布式量子信息处理网络的基本单元。

外层空间空光信号损耗非常小，因此借助卫星可以大大扩展量子通信距离

量子通信通常使用单光子作为物理载体，最直接的方式是通过光纤或近表面自由空通道。然而，两个通道的损耗随着距离的增加而呈指数增加。由于量子不可克隆性的原理，量子通信的信号不能像经典通信那样被放大，这使得以前的量子通信世界记录约为100公里。根据数据，即使有一个发射率为每秒数百亿的单光子源和一个完美的探测器，也需要数百万年才能通过1200公里长的光纤建立一个一位密钥。因此，如何实现安全、长距离、实用的量子通信是这一领域最大的挑战，也是国际学术界几十年来的共同目标。

中国科学院上海技术物理研究所研究员、量子科学实验卫星工程常务副总工程师、卫星系统总指挥王建宇说:“由于空外滩空近乎真实的光学信号损失非常小的特点，借助卫星可以大大扩展量子通信距离。同时，由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势，是在全球范围内实现超长距离实用量子密码和量子隐形传态的最有前途的途径。”

自本世纪初以来，这一方向成为国际学术界激烈竞争的焦点。潘建伟的团队为实现星地量子通信进行了一系列开创性的实验研究。

2003年，潘建伟团队提出了一个实现卫星间量子通信的方案，构建了一个覆盖全球的量子保密通信网络。然后，在2004年，它在世界上第一次实现了水平距离为13公里(大于大气垂直厚度)的自由空双向量子纠缠分布，这验证了通过大气进行量子通信的可行性。2011年底，中国科学院战略性科技试点项目“量子科学实验卫星”正式启动。2012年，由潘建伟领导的中国科学院联合研究团队在青海湖实现了首个100公里双向量子纠缠分布和量子隐形传态，充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2013年，中国科学院联合研究小组在青海湖实现了量子密钥分发实验，模拟了卫星与地面的相对运动和星地链路的大损耗，验证了量子密钥从卫星到地面全方位分发的可行性。随后，该团队努力克服各种困难，最终成功研制出了墨子量子科学实验卫星。2016年8月16日，墨子卫星在酒泉卫星发射中心发射。经过4个月的在轨测试，它于2017年1月18日正式交付进行科学实验。

为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础

这次完成的高速量子密钥分配实验是墨子量子卫星的科学目标之一。

中国科技大学研究员、卫星科学应用系统总工程师、卫星系统副总工程师彭承志说:“量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号、地面接收的方式。当墨子量子卫星过境时，它与河北兴隆地面光学站建立了光学联系，通信距离从645公里到1200公里不等。在1200公里的通信距离上，星地量子密钥的传输效率比相同距离的地面光纤信道高20个数量级(万亿倍)。卫星上的量子诱饵光源每秒平均发送4000万个信号光子。一次在轨对接实验可以生成30万位的安全密钥，平均编码速率可以达到每秒1100位。”

潘建伟说，这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。“在星地量子密钥分发的基础上，以卫星为可信中继，可以在地球上任意两点实现密钥共享，量子密钥分发范围可以扩展到全球。此外，通过量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网(如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线)的互联，可以建成一个世界范围的综合保密通信网。”

地星量子隐形传态实验是墨子量子卫星的另一个科学目标。

“量子隐形传态实验采用从地面发射纠缠光子并从天空接收它们的方式。当墨子量子卫星过境时，它与西藏海拔5100米的阿里地面站建立了光学联系。地面光源每秒产生8000个量子隐形传态，地面向卫星发射纠缠光子。实验通信距离从500公里到1400公里不等，所有六种状态的传输都超过了经典极限，置信度超过99.7%。”彭承志说:“假设这项工作在相同长度的光纤中重复进行，将需要3800亿年(宇宙年龄的20倍)来观察一个案例。”这一重要成果为今后空尺度量子通信网络、空尺度量子物理和量子引力实验研究奠定了可靠的技术基础。”

人民日报(2017年8月10日06版)