《環球科學》凌晨連線潘建偉：深度解讀量子通信衛星，中國在量子通信領域全面領先

科技 08-16

2016年8月16日北京時間凌晨1時40分，全球首顆量子科學實驗衛星「墨子」號在中國酒泉衛星發射中心成功發射，標誌著我國在量子通信領域全面領先於世界。

「墨子號」量子通信衛星發射期間，《環球科學》專訪中國量子通信領軍人物、空間量子科學實驗衛星計劃的首席科學家潘建偉院士，為讀者深度解讀「墨子號」。

《環球科學》：能否簡單解釋一下什麼是量子通信？

潘建偉：這是目前唯一得到嚴格證明的無條件安全的通信手段。傳統的信息安全依賴於計算的複雜，一旦擁有足夠強大的計算能力，所有依賴於計算複雜度的傳統加密演算法原則上都會被破解。量子通信的安全性基於量子力學基本原理，單光子的不可分割性和量子態的不可複製性從原理上保證了信息的不可竊聽和不可破解。只要量子力學是正確的，量子通信的安全性就嚴格得到保障，與計算能力無關，因此可從根本上、永久性地解決信息安全問題。

在城市範圍內，通過光纖構建城域量子通信網路是最有效的手段。我國在實用化城域量子通信技術方面處於國際領先，在合肥、濟南、上海、北京等地都建成或即將建成規模化的城域量子通信網路，並初步應用於國防、政務、金融等領域的信息安全。然而，由於光纖的固有損耗，按照目前的技術，光纖中點對點的量子通信最多只能達到百公里量級。另一方面，由於大氣層對光子的吸收很有限，將光子送到外太空再通過衛星的中轉，是實現數千公里乃至全球化量子通信的有效手段。

《環球科學》：您是如何產生用衛星來試驗量子通信的想法，又經過了哪些準備工作？

潘建偉：2003年起，在大多數同行仍致力於在實驗室里實現量子通信的時候，我就想到為了真正實現遠距離量子通信，可能需要衛星。2004年底，我們團隊在地面實驗中驗證，量子狀態在穿越整個豎直大氣層後還能夠很好存活，證實了星地量子通信的可能性。此後，在中科院兩個知識創新工程重大項目的支持下，潘建偉團隊和中科院其他單位合作，開展了一系列的驗證實驗，充分驗證了星地量子通信的可行性。2011年，中科院正式立項量子科學實驗衛星專項。

《環球科學》：「墨子」號發射後，將會承擔哪些研究工作？研究團隊有什麼樣的分工？

潘建偉：量子科學實驗衛星工程將研製及發射1顆量子科學實驗衛星，建設以4個量子通信地面站（北京興隆、烏魯木齊南山、青海德令哈、雲南麗江）和1個空間量子隱形傳態實驗站（西藏阿里）為核心的空間量子科學實驗系統。量子衛星發射入軌後將進行3個月左右的在軌測試，然後轉入在軌運行階段，將在首席科學家潘建偉的指揮下，完成一系列具有國際領先水平的科學實驗任務。主要科學目標為：進行星地高速量子密鑰分發實驗，並在此基礎上進行廣域量子密鑰網路實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。

烏魯木齊南山站和北京興隆站與量子科學實驗衛星配合，完成星地高速量子密鑰分發實驗和建立廣域量子通信網路演示實驗；量子科學實驗衛星飛過烏魯木齊南山站與青海德令哈站，青海德令哈站與雲南麗江站之間時，可在兩個地面站之間進行星地量子糾纏分發實驗。量子科學實驗衛星飛過阿里量子隱形傳態站上空時，實驗站向量子科學實驗衛星發射糾纏光子，完成星地量子隱形傳態實驗。

量子科學實驗衛星的研製集合了中科院系統的優勢研究力量：中國科學技術大學負責科學應用系統的研製，中國科學院上海微小衛星工程中心抓總研製衛星系統，中國科學院上海技術物理研究所聯合中國科學技術大學研製有效載荷系統，中國科學院國家空間科學中心擔任工程總體並牽頭負責地面支撐系統的研製、建設和運行。

《環球科學》凌晨連線潘建偉：深度解讀量子通信衛星，中國在量子通信領域全面領先

《環球科學》：量子通信衛星有4個重要單元：量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源、量子試驗控制與處理機，能否介紹一下這些單元以及其他部分的作用原理和功能？

潘建偉：這4個單元其實就是量子衛星的有效載荷。量子密鑰通信機實現量子密鑰分發實驗的密鑰產生髮射、量子隱形傳態信號接收探測、糾纏信號發射；量子糾纏源為星上糾纏光子對產生源頭，為糾纏分發實驗核心；量子發射機實現糾纏信號發射、量子密鑰分配實驗密鑰產生和發射；量子實驗控制與處理系統實現密鑰分發實驗的後端處理，最後提取最終密鑰，此外實現糾纏實驗和隱形傳輸實驗的數據分析處理。

量子密鑰通信機和量子糾纏發射機是量子衛星對地直接進行量子通信的設備，需要一些特別的技術。這其中最重要的就是與地面站的精確對準。衛星的運動速度大約是每秒8公里，要和地面望遠鏡的光軸精確對準，用一個形象的比喻就是針尖對麥芒：衛星的對準精度就好比在一萬米高空的飛機上，向地面扔一個一個硬幣，要準確投入儲蓄罐狹長的投幣口內，而儲蓄罐還在慢慢旋轉中。另外，在量子糾纏分發實驗中，還需要同時和兩個地面站對準，難度就更加大，這要求衛星的對準精度高於普通衛星的10倍，實驗才能順利展開，這在國際上以往都未曾做到。

除了有效載荷，衛星平台本身也是重要的單元，因為在所有實驗開始前都需要衛星先和地面站初步對準，這就要求對衛星平台的姿態進行精確的控制。

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《環球科學》：量子通信衛星的外觀和普通衛星有差別嗎？

潘建偉：衛星重量約600公斤，外觀上與通常的衛星並無太大區別。

《環球科學》：未來，我們國家可能還會發射第二顆、第三顆量子通信衛星，那麼後面的衛星是否與第一顆有些不同?後續的衛星，目前有發射的時間表嗎？

潘建偉：單顆量子衛星無法直接覆蓋全球，而且目前的空間量子通信還只能在夜間（地影區）進行，白天強烈的日光背景會帶來很大的干擾。因此在未來還需要發射多顆衛星來組成衛星網路，同時突破日光背景下進行量子通信的技術，從而實現全球化的廣域量子通信網路。因此，未來發射的量子衛星還需要衛星之間的量子通信、全天時的量子通信，這是與現在這顆量子衛星主要的不同之處。後續衛星目前尚無發射的時間表，不過我國的未來的空間站項目將開展相關研究，首先驗證星間、全天時量子通信的可行性。

《環球科學》：關於量子通信，我國是三步走的策略：一是通過光纖實現城域量子通信網路；二是通過量子中繼器實現城際量子通信網路；三是通過衛星中轉實現可覆蓋全球的廣域量子通信網路。此次量子通信衛星的發射是第三步的重要開端，那麼前面兩步完成得如何？

潘建偉：首先，城域量子通信網路肯定是第一步，而後面的城際量子通信和衛星量子通信是實現遠距離量子通信的不同路線，是並行開展研究的，並非有先後的順序。目前我國在城域量子通信網路技術方面已處於國際領先，在城際量子通信方面也走在了世界前列，今年下半年，國際上首條千公里級光纖量子通信幹線「京滬幹線」將建成，將連接北京、濟南、合肥、一直到上海的城域量子通信網路，並將在國防、政務和金融領域開展應用。可以說，我國在量子通信方面，已全面處於國際領先地位。

《環球科學》：量子通信衛星發射後，京滬幹線也將完工，利用現有的量子通信網路，可以做些什麼？

量子通信的應用是保障通信的安全，在量子衛星發射、京滬幹線建成後，我國的廣域量子通信網路就初具規模，可以在保障國防、政務、金融等領域的信息安全得以廣泛應用。

《環球科學》：美國、歐洲也在開展量子通信計劃，能否介紹一下歐美的情況？和他們相比，中國在這一方面處於什麼水平？

美國和歐洲其實在量子通信方面的研究是較早的。2008年，歐盟啟動量子通信技術標準化研究，成立「基於量子密碼的安全通信」工程；美國國防部支持的「高級研發活動」計劃將量子通信應用拓展到衛星通信、城域以及長距離光纖網路；NASA也計劃在其總部和噴氣推進實驗室之間建立一個直線600公里、包含10個骨幹節點的遠距離光纖量子通信幹線，並計劃拓展到星地通信。2014年，全球最大的獨立科技研發機構美國Battelle公司提出了商業化的廣域量子通信網路規劃，計劃建造環美國的萬公里量子通信骨幹網路，為谷歌、IBM、微軟、亞馬遜等公司的數據中心之間提供量子通信服務。總的來說，正如《自然》雜誌所評論的，隨著量子衛星的發射和京滬幹線的建成，「中國的量子通信水平，已經從十年前不起眼的國家發展為現在的世界勁旅，將領先於歐洲和北美」。然而，來自歐洲和美國的競爭仍然十分激烈，比如，2016年4月，歐盟委員會正式宣布啟動總額10億歐元的量子技術旗艦項目，目標是使歐洲在未來的量子信息革命中處於前沿位置，而英國政府早在2015年初就已先期配套約3億英鎊用於支持該旗艦項目的啟動；2016年5月，美國國家科學基金會（NSF）正式提出，將「下一代量子革命」作為未來重點支持的六大科研前沿之一。未來我國能否繼續保持領先，還需要國家的戰略布局和高強度支持。

《環球科學》：我國的計劃是在2030年建成全球化的量子通信，那麼作為普通公眾，什麼時候可以用到量子通信？全面實現量子通信，您認為大致會是在什麼時候？

潘建偉：目前的量子通信，由於範圍有限、成本較高，主要還是集中在國家信息安全方面的應用。通過10到15年的努力，如果可以構建一個覆蓋全國甚至是全球化的量子通信網路，同時隨著應用的深入，成本也會逐漸降低，到那時，普通大眾應該也能廣泛享受到量子通信帶來的通信安全。比如，可以通過入戶的光纖，每家每戶都有一個量子密鑰機，手機裡面也可以有一個量子加密晶元，這樣出門前在量子密鑰機給手機「充量子密鑰」，然後就可以用手機來進行安全的通話、上網、支付等等。請注意，量子通信並不是要取代傳統通信技術，反而是使傳統通信更加安全。

《環球科學》：從今天到2030年還有15年時間，在未來15年里，還將開展哪些重要的研究計劃和基礎設施建設計劃？

「十三五」期間國家將布局「量子通信與量子計算」重大科技項目，也會建設量子信息領域的國家實驗室，我們希望在重大科技項目和國家實驗室的支持下，集合全國的優勢研究力量，實現一些關鍵技術和器件的突破。基礎設施方面，除了上面說到需要發射多顆量子通信衛星外，地面上也需要在「京滬幹線」的基礎上，建設一個「多橫多縱」的全國性光纖量子通信幹線，目前我們正在與國家發改委溝通。