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“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖

全球首個星地量子通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋我國四省三市32個節(jié)點(diǎn)，包括北京、濟(jì)南、合肥和上海4個量子城域網(wǎng)，通過兩個衛(wèi)星地面站與“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星相連，總距離為4600公里，目前已接入金融、電力、政務(wù)等行業(yè)的150多家用戶。

遨游在太空的“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，如今有了屬于自己的“正式名稱”。2020年9月11日，國家重大文化工程《辭?！罚ǖ谄甙妫┱綄ν獍l(fā)布，本次新增內(nèi)容中添加了“量子通信”“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”等詞條。

2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。為了這一天，中國的量子物理學(xué)家們，已經(jīng)準(zhǔn)備了10多年。

把量子實(shí)驗(yàn)室“搬”上太空

“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的誕生，源于我國“構(gòu)建全球范圍量子通信網(wǎng)”的科學(xué)愿景。

“把量子實(shí)驗(yàn)室‘搬’上太空的設(shè)想，10多年前就已被提出?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士潘建偉說。

早在2003年，潘建偉團(tuán)隊(duì)就開始探索在自由空間實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信，提出了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的方案。在自由空間，環(huán)境對光量子態(tài)的干擾效應(yīng)極小，而光量子在穿透大氣層進(jìn)入外層空間后，其損耗更是接近于零，這使得自由空間信道比光纖信道在遠(yuǎn)距離傳輸方面更具優(yōu)勢。

2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)首先在合肥實(shí)現(xiàn)距離達(dá)13公里的自由空間量子糾纏分發(fā)和量子通信，13公里約等于地球表面的大氣厚度，這次實(shí)驗(yàn)在國際上首次證明糾纏光量子在穿透等效于整個大氣層厚度的地面大氣后，糾纏仍然能夠保持，其可被應(yīng)用于高效、安全的量子通信，該實(shí)驗(yàn)為后續(xù)的自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

此前，一直走在全球量子通信領(lǐng)域前列的，是奧地利物理學(xué)家安東·蔡林格的團(tuán)隊(duì)。安東·蔡林格團(tuán)隊(duì)1997年在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證，他們在2004年又利用多瑙河底的光纖信道將量子態(tài)隱形傳輸距離提高至600米。潘建偉到奧地利攻讀博士學(xué)位期間，曾在安東·蔡林格團(tuán)隊(duì)擔(dān)任研究骨干。

2001年，潘建偉學(xué)成回國，在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)建立起中國的量子物理實(shí)驗(yàn)室。在那之后，這對師徒既是合作伙伴又是競爭對手，正式開始了攀登量子通信技術(shù)高峰的競賽。

相比于安東·蔡林格團(tuán)隊(duì)，潘建偉團(tuán)隊(duì)的進(jìn)度更快，并逐步實(shí)現(xiàn)了從并跑到小幅度領(lǐng)先的超越。

2010年，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)當(dāng)時世界上最遠(yuǎn)距離的16公里量子隱形傳態(tài)，首次證實(shí)量子隱形傳態(tài)穿越大氣層的可行性，為未來基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網(wǎng)奠定了可靠基礎(chǔ)。為了這次實(shí)驗(yàn)，潘建偉團(tuán)隊(duì)從2007年開始在北京八達(dá)嶺與河北懷來之間架設(shè)了一條長達(dá)16公里的自由空間量子信道。

隨后，潘建偉團(tuán)隊(duì)在青海湖地區(qū)新建實(shí)驗(yàn)基地，開展驗(yàn)證星地自由空間量子通信可行性的地基實(shí)驗(yàn)研究，從多個方面進(jìn)行攻關(guān)，旨在突破基于衛(wèi)星平臺自由空間量子通信的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，并在2012年實(shí)現(xiàn)全球首個上百公里的自由空間量子隱形傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)，對星地量子通信可行性進(jìn)行了全方位地面驗(yàn)證。

在這場量子學(xué)革命的科學(xué)競賽中，多個“世界首次”“世界首個”均來自于由潘建偉領(lǐng)銜的“中國隊(duì)”：在國際上首次實(shí)現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)、實(shí)現(xiàn)國際上首個全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)、建成世界首個規(guī)模化量子通信網(wǎng)絡(luò)……“這標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國家逐步發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先歐洲和北美?！眹H權(quán)威期刊《自然》雜志曾如此感嘆。

中國團(tuán)隊(duì)的這些研究工作，證明了實(shí)現(xiàn)基于衛(wèi)星的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)和開展空間尺度量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)的可行性。

挑戰(zhàn)世界最高難度

2010年3月31日，我國國務(wù)院第105次常務(wù)會議審議通過了中國科學(xué)院“創(chuàng)新2020”規(guī)劃，要求中國科學(xué)院“組織實(shí)施戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，形成重大創(chuàng)新突破和集群優(yōu)勢”。

2011年1月25日，中國科學(xué)院實(shí)施啟動首批“4+1”個戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，其中就包括空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)。空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)第一批確定研發(fā)包括“墨子號”在內(nèi)的四顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。另外三顆分別為暗物質(zhì)探測衛(wèi)星“悟空”、我國首顆微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“實(shí)踐十號”和硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“慧眼”。

“工程師的任務(wù)是技術(shù)實(shí)現(xiàn)，要把科學(xué)家的夢想變成現(xiàn)實(shí)?！绷孔有l(wèi)星工程常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說，2011年量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”項(xiàng)目正式立項(xiàng)后，更高難度的挑戰(zhàn)開始了。

量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備，突破了一系列高精尖技術(shù)，包括“針尖對麥芒”的星地光路對準(zhǔn)，偏振態(tài)保持與星地基矢校正，量子光源載荷等關(guān)鍵技術(shù)。

王建宇從2007年就開始參與量子衛(wèi)星的研究工作。他是中國科學(xué)院上海分院的副院長、原中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所所長，作為光學(xué)遙感系統(tǒng)專家，他的團(tuán)隊(duì)與潘建偉團(tuán)隊(duì)合作，在遼闊美麗的青海湖畔實(shí)現(xiàn)了百公里級自由空間量子通信。

在2007年至2010年的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，研究團(tuán)隊(duì)將量子密鑰產(chǎn)生的地方放在位于青海湖湖心島的海心山上，從中間向兩邊分發(fā)。

那時，晚上團(tuán)隊(duì)成員們就睡在帳篷里，同時還不能睡死，他們要打死一批批有可能干擾設(shè)備的蛾子。其中有位女研究生，從看見蛾子就害怕，到后來變成一邊做實(shí)驗(yàn)一邊面不改色地把蛾子一只只拍死的“殺手”。

“以前做衛(wèi)星，多少能找到參考資料，但這個量子衛(wèi)星的工作，屬國際首次，完全沒有參考?！蓖踅ㄓ钫J(rèn)為，最困難的環(huán)節(jié)就是實(shí)現(xiàn)天地一體化聯(lián)通。

按潘建偉等科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，“墨子號”不僅是天上的那顆衛(wèi)星，它還包括地面系統(tǒng)：1個中心——合肥量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站，1個平臺——阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺。衛(wèi)星和地面站之間，要做到最高精度的瞄準(zhǔn)和最靈敏的探測。

光量子非常小，它是光的最小單位，必須要用極為靈敏的探測器才能探測到；它的數(shù)量又非常多，“墨子號”衛(wèi)星每秒能分發(fā)1億光量子；此外，它還姿態(tài)萬千，能形成不同的量子編碼……

王建宇打了個比方：如果把光量子看成一個1元硬幣，星地實(shí)驗(yàn)就相當(dāng)于要在萬米高空飛行的飛機(jī)上，不斷把上億個硬幣一個個投到地面上一個不斷旋轉(zhuǎn)的儲錢罐里（偏振測量的基矢在變化），這不但要求硬幣擊中儲錢罐（瞄準(zhǔn)精度），而且要求硬幣準(zhǔn)確射入罐子上細(xì)長的投幣口（偏振保持）。

為了讓穿越大氣層后光量子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，王建宇團(tuán)隊(duì)與潘建偉團(tuán)隊(duì)一道，從2012年起開始進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)：收發(fā)距離40公里的轉(zhuǎn)臺實(shí)驗(yàn)，要與衛(wèi)星繞地運(yùn)行的角速度一致；30公里距離的車載高速運(yùn)動實(shí)驗(yàn)，要考驗(yàn)超遠(yuǎn)距離“移動瞄靶”能力；熱氣球浮空平臺實(shí)驗(yàn)，在空地環(huán)境下模擬量子密鑰分發(fā)……

這么困難的“針尖”對“麥芒”，其關(guān)鍵技術(shù)最終被一一攻破，在十幾個研究所的幾百位科研人員的傾情投入下，衛(wèi)星的初樣完成了。

構(gòu)建首個星地量子通信網(wǎng)

32年前，人類歷史上首次量子通信在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了，傳輸距離32厘米。而今，中國人將這個距離擴(kuò)展了1400多萬倍，實(shí)現(xiàn)了從地面到太空的多用戶通信。

2021年1月7日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上發(fā)表了題為《跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)》的論文。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，中國科研團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)，標(biāo)志著我國已構(gòu)建出天地一體化廣域量子通信網(wǎng)雛形。

20年磨一劍，中國在量子通信域?qū)崿F(xiàn)了從跟跑到領(lǐng)跑：量子保密通信京滬干線總長超過2000公里，是目前世界上最遠(yuǎn)距離的基于可信中繼方案的量子安全密鑰分發(fā)干線，該線路已于2017年9月底正式開通?！澳犹枴绷孔涌茖W(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星于2016年8月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，圓滿完成了預(yù)定的全部科學(xué)目標(biāo)。

“墨子號”牽手“京滬干線”，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研人員潘建偉、陳宇翱、彭承志等與中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、濟(jì)南量子技術(shù)研究院及中國有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司合作，構(gòu)建了全球首個星地量子通信網(wǎng)。經(jīng)過為期兩年多的穩(wěn)定性、安全性測試，該通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了跨越4600公里的多用戶量子密鑰分發(fā)。

“要實(shí)現(xiàn)廣域量子通信，就要解決光量子損耗、退相干等一系列技術(shù)難題，比如光量子數(shù)在光纖里每傳輸約15公里就會損失一半，200公里后只剩萬分之一?！迸私▊フf，科研團(tuán)隊(duì)在光學(xué)系統(tǒng)等方面發(fā)展了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，化解了這些難題。

全球首個星地量子通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋我國四省三市32個節(jié)點(diǎn)，包括北京、濟(jì)南、合肥和上海4個量子城域網(wǎng)，通過兩個衛(wèi)星地面站與“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星相連，總距離為4600公里，目前已接入金融、電力、政務(wù)等行業(yè)的150多家用戶。

目前，廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形已基本形成，未來在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步推動量子通信在金融、政務(wù)、國防、電子信息等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。