領跑世界！量子衛星三大科學目標圓滿實現

日前，中國科學院在京召開新聞發布會對外宣布，「墨子號」量子科學實驗衛星提前並圓滿實現全部三大既定科學目標，為我國在未來繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。

中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團隊，聯合中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國家天文台、紫金山天文台、南京天文儀器有限公司、國家空間科學中心等，在中國科學院空間科學戰略性先導科技專項的支持下，利用「墨子號」量子科學實驗衛星，在國際上首次成功實現了從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態。兩項成果於8月10日同時在線發表在國際權威學術期刊《自然》雜誌上。這是繼先前在國際上率先實現千公里級星地雙向量子糾纏分發和量子力學非定域性檢驗的研究成果發表在《科學》雜誌之後，我國科學家利用「墨子號」量子衛星實現的空間量子物理研究另外兩項重大突破。

中國科學院院長、黨組書記白春禮表示，「墨子號」開啟了全球化量子通信、空間量子物理學和量子引力實驗檢驗的大門，為我國在國際上搶佔了量子科技創新制高點，成為國際同行的標杆，實現了「領跑者」的轉變。

通信安全是國家信息安全和人類經濟社會生活的基本需求。千百年來，人們對於通信安全的追求從未停止。然而，基於計算複雜性的傳統加密技術，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數學和計算能力的不斷提升，經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相結合，利用量子調控技術，用一種革命性的方式對信息進行編碼、存儲、傳輸和操縱，從而在確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度等方面突破經典信息技術的瓶頸。」

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

量子密鑰分發通過量子態的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，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，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，傳送者會立刻發現，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。

那麼，為什麼鑰匙被別人一碰，就能立刻被知曉呢？

因為，科學家利用量子有多個疊加態的原理，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，就會改變數子狀態，科學家便能立刻從改變中發現有人動了鑰匙。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性，就能實現無條件安全的通信方式。

量子通信的另一重要內容量子隱形傳態，是利用量子糾纏特性可以將物質的未知量子態精確傳送到遙遠地點，而不用傳送物質本身，通過隱形傳輸實現信息傳遞。遠距離量子隱形傳態是實現分散式量子信息處理網路的基本單元。

量子通信通常採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增加。由於量子不可克隆原理，量子通信的信號不能像經典通信那樣被放大，這使得之前量子通信的世界紀錄為百公里量級。根據數據測算，通過1200公里的光纖，即使有每秒百億發射率的單光子源和完美的探測器，也需要數百萬年才能建立一個比特的密鑰。因此，如何實現安全、長距離、可實用化的量子通信是該領域的最大挑戰和國際學術界幾十年來奮鬥的共同目標。

中國科學院上海技術物理研究所研究員，量子科學實驗衛星工程常務副總師、衛星系統總指揮王建宇說：「利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點，通過衛星的輔助可以大大擴展量子通信距離。同時，由於衛星具有方便覆蓋整個地球的獨特優勢，是在全球尺度上實現超遠距離實用化量子密碼和量子隱形傳態最有希望的途徑。」

從本世紀初以來，該方向已成為國際學術界激烈角逐的焦點。潘建偉團隊為實現星地量子通信開展了一系列先驅性的實驗研究。

2003年，潘建偉團隊提出了利用衛星實現星地間量子通信、構建覆蓋全球量子保密通信網的方案，隨後於2004年在國際上首次實現了水平距離13公里（大於大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發，驗證了穿過大氣層進行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰略性先導科技專項「量子科學實驗衛星」正式立項。2012年，潘建偉領銜的中科院聯合研究團隊在青海湖實現了首個百公里的雙向量子糾纏分發和量子隱形傳態，充分驗證了利用衛星實現量子通信的可行性。

2013年，中科院聯合研究團隊在青海湖實現了模擬星地相對運動和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發實驗，全方位驗證了衛星到地面的量子密鑰分發的可行性。隨後，該團隊經過艱苦攻關，克服種種困難，最終成功研製了「墨子號」量子科學實驗衛星。「墨子號」衛星於2016年8月16日在酒泉衛星發射中心發射升空，經過4個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學實驗。

此次完成的星地高速量子密鑰分發實驗是「墨子號」量子衛星的科學目標之一。

中國科學技術大學研究員，量子科學實驗衛星科學應用系統總師、衛星系統副總師彭承志說：「量子密鑰分發實驗採用衛星發射量子信號，地面接收的方式。『墨子號』量子衛星過境時，與河北興隆地面光學站建立光鏈路，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個數量級（萬億億倍）。衛星上量子誘騙態光源平均每秒發送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成30萬比特的安全密鑰，平均成碼率可達1千1百比特每秒。」

潘建偉表示，這一重要成果為構建覆蓋全球的量子保密通信網路奠定了可靠的技術基礎。「以星地量子密鑰分發為基礎，將衛星作為可信中繼，可以實現地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發範圍擴展到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網（如合肥量子通信網、濟南量子通信網、京滬幹線）互聯，可以構建覆蓋全球的天地一體化保密通信網路。」

地星量子隱形傳態實驗是「墨子號」量子衛星的另一個科學目標之一。

「量子隱形傳態實驗採用地面發射糾纏光子、天上接收的方式，『墨子號』量子衛星過境時，與海拔5100米的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產生8000個量子隱形傳態事例，地面向衛星發射糾纏光子，實驗通信距離從500公里到1400公里，所有6個待傳送態均以大於99.7%的置信度超越經典極限。」彭承志說：「假設在同樣長度的光纖中重複這一工作，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路研究，以及空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎。」

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