“墨子号”为何激起空间量子科学热潮

日前，中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、陆朝阳、曹原应邀在国际物理学权威综述期刊《现代物理评论》上发表长篇综述论文《基于“墨子号”卫星的空间量子实验》。

据了解，由于在远距离量子通信特别是“墨子号”量子卫星方面所取得的一系列具有开创性意义的工作，潘建伟等受邀为《现代物理评论》撰写的这篇46页的综述论文，全面介绍了国际空间量子科学研究近20年来取得的成就，重点阐述了“墨子号”量子科学实验卫星从前期关键技术攻关，包括卫星系统、科学应用系统等六大系统的量子科学实验卫星的建设和研制，到卫星在轨运行后所取得的系统性科研成果，为国际学术界提供了宝贵的资料。

“墨子号”横空出世

量子通信基于量子物理学的基本原理，克服了经典加密技术内在的安全隐患，是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式，可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。

由于量子不可克隆原理，量子通信的信号不能像经典通信那样被放大，这使得之前量子通信的世界纪录只有百公里量级。因此，如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信是该领域的最大挑战和国际学术界几十年来奋斗的共同目标。

由于外太空几乎真空，对于光信号的吸收损耗几乎为零，因此通过卫星的辅助可以极大扩展量子通信距离。21世纪初以来，该方向已成为国际学术界激烈角逐的焦点。潘建伟团队为实现星地量子通信开展了一系列先驱性的实验研究。2003年，该团队提出了利用卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的方案，随后于2004年在国际上首次实现了水平距离13公里（大于大气层垂直厚度）的自由空间双向量子纠缠分发，验证了穿过大气层进行量子通信的可行性。2011年底，中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年，潘建伟领衔的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态，充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。

2013年，中科院联合研究团队在青海湖实现了模拟星地相对运动和星地链路大损耗的量子密钥分发实验，全方位验证了卫星到地面的量子密钥分发的可行性。随后，该团队经过艰苦攻关，最终成功研制了“墨子号”量子科学实验卫星。“墨子号”卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空，经过4个月的在轨测试，2017年1月18日正式交付开展科学实验。

走到世界最前列

近年来，潘建伟团队利用“墨子号”量子卫星在国际上率先完成了一系列具有开创意义的星地量子科学实验。

这些实验包括：完成了星地量子密钥分发、北京到维也纳的洲际量子密钥分发、基于纠缠的无须可信中继量子密钥分发，并进一步在量子保密通信京沪干线与“墨子号”量子卫星之间成功实现了对接，验证了星地广域量子通信的可行性；实现了星地双向量子纠缠分发实验，观察到了星地间千公里距离的严格满足爱因斯坦定域性条件的贝尔不等式的破缺，验证了空间尺度量子纠缠的存在和量子力学基本原理的正确性；完成了首个地星量子隐形传态以及星地量子态远程传输，证明了在地星千公里距离上能够完成量子比特的传输，为全球化量子信息处理网络奠定了基础。

研究人员认为，这些空间量子科学实验成果使我国第一次在空间科学研究领域走到了世界最前列，牢牢占据了空间量子科学研究领域的主导和引领地位。

科学研究必跨越到更高平台

“墨子号”量子卫星项目的成功实施，进一步激发了全球关于空间量子实验的竞赛。2017年，美国宇航局发布了关于未来空间量子物理发展方面的白皮书。同期欧洲航天局也发布了空间量子技术的白皮书。在“墨子号”成功发射之后，世界各大强国纷纷开始了自己的量子卫星研发，推出了基于低轨道小型化量子卫星的计划和时间表。

潘建伟团队的该综述论文还对国际空间量子科学的研究进展进行了梳理。文章指出，“墨子号”的成功激励了国际空间量子科学的研究热潮，美国、欧盟、日本等国际上的各方力量随后皆开始探索自己的广域量子通信之路，提出或加速了一系列空间量子科学布局。论文还对进一步构建覆盖全球的量子通信网络和基于空间平台的量子物理基础研究进行了前瞻性的展望，表明“墨子号”系列实验开启了利用空间平台开展量子信息和量子物理前沿研究的广阔天地。

（本文来源：《光明日报》）