隨著我國發(fā)射的世界上首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”的順利升空，中國將成為全球第一個實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間量子通信的國家，我國將實現(xiàn)“天地一體化”量子通信網(wǎng)絡(luò)的初步構(gòu)建，這也將成為量子通信領(lǐng)域的中國最強音。

作為迄今為止唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式，量子通信技術(shù)在金融、軍事和政務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景得到了世界各國的廣泛關(guān)注，美國、日本等國也啟動了相關(guān)的研究計劃。此次“墨子號”的發(fā)射，更鞏固了我國在量子通信領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。

作為全球首顆量子衛(wèi)星其獨特之處在哪里？“墨子號”都承擔了哪些科學任務(wù)？量子衛(wèi)星又是如何實現(xiàn)“針尖對麥芒”般的精準定位的？伴隨著地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)“京滬干線”的建設(shè)完成，我國將初步建立起世界上首個廣域量子通信體系，人類正在步入量子信息的嶄新時代，“絕對安全”的信息傳遞將為社會進步注入新的發(fā)展能量，更多關(guān)于量子衛(wèi)星的最新獨家報道，我們邀請到了中國科學技術(shù)大學常務(wù)副校長、中科院量子科學實驗衛(wèi)星先導專項首席科學家潘建偉進行了專題訪問。

獨一無二的“量子衛(wèi)星”

“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星是中科院空間科學先導專項首批4顆科學衛(wèi)星之一，是繼暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”、微重力返回式科學實驗衛(wèi)星“實踐十號”之后的第三顆科學實驗衛(wèi)星，其主要任務(wù)是開展基于衛(wèi)星平臺的廣域量子通信和量子力學基礎(chǔ)原理檢驗。那么具體的科研任務(wù)有哪些？

潘建偉表示，此次“墨子號”量子實驗衛(wèi)星的主要科研任務(wù)有三個：首先，通過量子衛(wèi)星實現(xiàn)衛(wèi)星和地面的量子密鑰分發(fā)，從而實現(xiàn)廣域的量子保密通信。潘建偉解釋，之所以需要通過發(fā)射衛(wèi)星來建立天地之間的量子通信網(wǎng)絡(luò)，是由于地面信號的傳輸主要以光纖為媒介，而光纖傳輸?shù)倪^程中信號損失相當嚴重，實驗表明光纖傳輸?shù)牧孔油ㄐ判盘栐趦砂俟镆院缶蛶缀醣晃沾M，如果人類想實現(xiàn)遠距離的量子通信傳輸就必須建立多個安全可信的信號中繼站，這無疑大大增加了信息泄露的幾率。科學家們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，光在穿透大氣層的過程中能量損失僅為百分之二十，也就是說天地之間數(shù)千公里甚至上萬公里的距離，光在其間傳輸?shù)膿p耗要遠遠低于在地面光纖網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膿p耗。利用這一原理，人類利用空間中的量子衛(wèi)星作為地面網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn)站，可以將地面多個城市中建立起的城際量子通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，從而極大地提高量子通信的效率。其次，“墨子號”還承擔著對量子力學本身的基本原理進行檢驗的實驗任務(wù)。量子糾纏態(tài)是量子力學中的一個經(jīng)典現(xiàn)象，即在多粒子量子系統(tǒng)中，一對具有量子糾纏態(tài)的粒子，即使相隔極遠，當其中一個狀態(tài)改變時，另一個狀態(tài)也會即刻發(fā)生相應(yīng)改變。這種現(xiàn)象稱為“量子非定域性”，曾經(jīng)被愛因斯坦等用來質(zhì)疑量子力學理論的完備性，并引發(fā)了長期的爭論和持續(xù)至今的各種檢驗。科學家們在地面上已在相距100公里的距離成功地驗證了量子非定域性，但尚未做到嚴格無漏洞的終極檢驗。而量子衛(wèi)星將把這個實驗帶到外層空間，將在國際上首次得以實現(xiàn)千公里量級的量子非定域性實驗檢驗，對于人類加深對量子力學基礎(chǔ)理論的認識具有重要的意義。第三，“墨子號”將連接中國和奧地利之間的量子通信網(wǎng)，以證明全球規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)想是可行的。這也是我國在量子通信領(lǐng)域開展的第一個大型國際合作，潘建偉也表示，未來我國將與更多國家開展合作，共同推動量子通信領(lǐng)域的進步與發(fā)展。

潘建偉還介紹道，作為建設(shè)“天地一體化”通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，“墨子號”量子衛(wèi)星與普通衛(wèi)星相比存在著巨大的差異。發(fā)射升空的量子衛(wèi)星以及建設(shè)在地面的多個地面觀測站，共同組成了前所未有的覆蓋地面和空間的巨大實驗網(wǎng)絡(luò)。

圖1 量子保密通信原理圖

“針尖對麥芒”的精準定位

“墨子號”量子通信衛(wèi)星作為天地一體化的空間中轉(zhuǎn)站，其承擔著發(fā)射和傳輸光信號的重要任務(wù)，如何保證距離地球表面數(shù)百公里的光信號能夠順利被地面光學天線接收，潘建偉形象化地解釋道，這其中涉及到的關(guān)鍵性實驗技術(shù)的難度就好比是“針尖對麥芒”一樣。

潘建偉介紹說，由于衛(wèi)星發(fā)射的光信號是極其微弱的單光子級別，在由空間向地面?zhèn)鬏數(shù)倪^程中會受到許多因素的干擾，比如星光、燈光等都將成為干擾信號傳輸?shù)谋尘霸肼暋４送猓l(wèi)星的運動速度很快，地面的光學天線必須時刻緊跟衛(wèi)星的“節(jié)奏”才有可能實現(xiàn)信號的準確接收。所以，在“墨子號”量子通信衛(wèi)星的設(shè)計過程中，不僅要克服各種噪聲的干擾保證信號源的穩(wěn)定，同時還要實現(xiàn)與地面光學天線的準確對接。盡管是如同“針尖對麥芒”般苛刻的實驗條件，但是在我國科學家的不懈努力下，如此困難的技術(shù)難題也依然得到了解決。

圖2 量子通信衛(wèi)星概念圖

保密通信的“京滬干線”

被稱為“京滬干線”的地面量子通信網(wǎng)絡(luò)，是“天地一體化”量子通信網(wǎng)絡(luò)的地面組成部分。對于“京滬干線”的建設(shè)原理，潘建偉解釋道：在建設(shè)地面量子通信網(wǎng)絡(luò)的工程中，主要的應(yīng)用都集中在城市范圍內(nèi)，將城市之間的城域網(wǎng)連接起來實現(xiàn)城際量子通信非常關(guān)鍵。據(jù)介紹，目前的技術(shù)僅能夠達到點對點百公里量級的量子通信，所以就需要通過建立可信任的中繼站點來起到信息中轉(zhuǎn)的作用，連接相距數(shù)百公里兩個城市的量子通信網(wǎng)絡(luò)。已經(jīng)建立起來的北京、濟南、合肥、上海四個量子通信城域網(wǎng)，將在可信中繼的幫助下，通過光纖串聯(lián)起來，構(gòu)成量子通信的“京滬干線”。未來還將會在每個城市中建設(shè)光學天線接收衛(wèi)星的信號，這樣，隨著“墨子號”的順利升空，地面的“京滬干線”與空間的量子衛(wèi)星共同構(gòu)成了覆蓋全球的廣域網(wǎng)絡(luò)，充分利用衛(wèi)星覆蓋的廣域性和光纖入戶的便利性，從而真正實現(xiàn)“天地一體化”的量子通信。

圖3 廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)示意圖

開啟量子通信新時代

隨著量子衛(wèi)星的發(fā)射升空和下半年“京滬干線”的完工，中國的廣域量子通信體系為率先建成全球化的量子通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)，人類即將實現(xiàn)全球范圍內(nèi)衛(wèi)星和地面間的首次量子通信。“天地一體化”的量子通信網(wǎng)絡(luò)即將鋪就，歷經(jīng)30余年的量子信息研究也將步入深化應(yīng)用的時代。未來，量子通信不僅僅只是一種全新的加密通信手段，它將成為新一代信息網(wǎng)絡(luò)安全解決方案的關(guān)鍵技術(shù)和日益普遍的電子服務(wù)的安全基石，成為保障未來信息社會可信行為的重要基礎(chǔ)之一。也許就在不遠的將來，量子通信技術(shù)將如同手機、電腦一般，走入尋常百姓家。

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