“墨子号”：抢占量子科技创新制高点

日前，中国科学院在北京召开新闻发布会，宣布“墨子”量子科学实验卫星提前并成功实现了三大科学目标，为中国未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基础问题研究的前沿研究奠定了坚实的科技基础。

由中国科技大学潘剑伟教授和他的同事彭承志组成的研究团队，连同中国科学院上海技术与物理研究所王建宇研究组、微型卫星创新研究所、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、南京天文仪器有限公司和国家空间科学中心等。在中国科学院空间科学战略实验科学项目的支持下，在世界上首次成功实现了卫星到地面的量子密钥分发和地面到卫星的量子隐形传态。这两项研究结果于8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》上。这是继此前发表在《科学》杂志上的研究成果之后，中国科学家利用墨子量子卫星在空间量子物理研究上实现的又两大突破，这是世界上第一次实现数千公里恒星的双向量子纠缠分布和量子力学非局域性测试。

中国科学院院长、党委书记白春礼表示，墨子开启了全球量子通信、空间量子物理和量子引力实验检验的大门，抢占了世界量子科技创新的制高点，成为国际同行的标杆，实现了“领导者”的转变。

量子保密通信是人类已知的唯一无条件和安全的通信方式，不能被窃听或破译。

通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本要求。几千年来，人们对通信安全的追求从未停止过。然而，基于计算复杂性的传统加密技术原则上有被解码的可能性。随着数学和计算能力的不断提高，经典密码被破解的可能性日益增加。

潘剑伟说:“量子通信可以解决这个问题。换言之，量子物理与信息技术相结合，量子控制技术以革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操作，从而突破了经典信息技术在确保信息安全、提高运算速度、提高测量精度等方面的瓶颈。”

一般认为，量子通信的主要研究内容包括量子密钥分配(量子保密通信)和量子隐形传态。

量子密钥分发使用量子状态传输在远程用户之间无条件地共享安全密钥。使用密钥来加密信息，一次只能加密一个，这是人类已知的唯一无条件安全的通信方法，不会被窃听或破译。

“一般来说，量子密钥分发就像一个人想把秘密传给另一个人，需要把秘密盒和密钥传给接收者。只有用这把钥匙打开盒子，接收者才能获得秘密。没有这把钥匙，其他人不能打开盒子，一旦这把钥匙被其他人移动，发送者将立即发现原来的钥匙是无效的，并给出一把新钥匙，直到接收者自己得到它。”潘剑伟说道。

那么，为什么当有人触摸它的时候，钥匙能被立即知道呢？

因为科学家利用量子具有多重叠加态的原理，并把量子作为关键。这样，一旦有人试图截取或测试量子密钥，量子状态就会改变，科学家可以立即从改变中发现有人移动了密钥。因此，利用量子不可克隆和不可分割的特点，可以实现无条件安全的通信模式。

量子通信的另一个重要内容——量子隐形传态，是利用量子纠缠特性将未知的物质量子态准确传输到遥远的地方，而不是传输物质本身，并通过隐形传态实现信息传输。远程量子隐形传态是实现分布式量子信息处理网络的基本单元。

外层空间的光信号损耗很小，因此借助卫星可以大大扩展量子通信距离。

量子通信通常使用单光子作为物理载体，最直接的方式是通过光纤或近地*空间信道传输。然而，两个通道的损耗随着距离的增加呈指数增加。由于量子不可克隆的原理，量子通信的信号不能像经典通信的信号那样被放大，这就使量子通信的世界纪录达到了100公里。根据数据计算，即使有每秒100亿次发射的单光子源和完美的探测器，也需要数百万年才能通过1200公里长的光纤建立一个一位密钥。因此，如何实现安全、远程、实用的量子通信是该领域最大的挑战，也是国际学术界几十年来的共同目标。

中国科学院上海技术与物理研究所研究员、量子科学实验卫星工程常务副主任兼卫星系统总指挥王建宇说:“利用外层空间几乎真空和光信号损失非常小的特点，借助卫星可以大大扩展量子通信距离。与此同时，由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势，它们是在全球范围内实现超远距离实用量子加密和量子隐形传态的最有希望的方式。”

自本世纪初以来，这一方向成为国际学术界激烈竞争的焦点。潘剑伟团队为实现星地量子通信进行了一系列开创性的实验研究。

2003年，潘剑伟团队提出了利用卫星实现星间量子通信和构建全球量子安全通信网络的计划。随后，2004年，世界上首次实现了水平距离为13公里(大于大气垂直厚度)的*空间双向量子纠缠分布，验证了通过大气进行量子通信的可行性。2011年底，中国科学院战略性科技试点项目“量子科学实验卫星”正式启动。2012年，中国科学院潘剑伟领导的联合研究团队在青海湖实现了首个100公里双向量子纠缠分布和量子隐形传态，充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2013年，中国科学院联合研究小组在青海湖进行了量子密钥分配实验，模拟卫星与地球之间的相对运动和星地链路的大损耗，充分验证了星地量子密钥分配的可行性。后来，该小组在解决难题和克服各种困难后，成功地研制了“墨子”量子科学实验卫星。墨子卫星于2016年8月16日从酒泉卫星发射中心发射。经过四个月的在轨测试，它于2017年1月18日正式交付进行科学实验。

它为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。

完成星地高速量子密钥分配实验是墨子量子卫星的科学目标之一。

中国科技大学研究员、量子科学实验卫星科学应用系统总工程师、卫星系统副总工程师彭承志说:“量子密钥分配实验采用卫星传输量子信号和地面接收的方式。当墨子量子卫星穿越边境时，它与河北兴隆地面光学站建立了光联系，通信距离为645公里至1200公里。在1200公里的通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同样距离的地面光纤信道高20个数量级(万亿倍)。卫星上的量子假目标状态光源平均每秒发送4000万个信号光子，超轨对接实验可以生成30万位安全密钥，平均编码速率为每秒1100位。”

潘建伟说，这一重要成果为全球量子保密通信网络的建设奠定了可靠的技术基础。“在星地量子密钥分发的基础上，利用卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，并将量子密钥分发的范围扩展到整个世界。此外，将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网(如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线)连接起来，可以建设一个全球范围的综合保密通信网。”

地球之星量子隐形传态实验是墨子量子卫星的另一个科学目标。

“量子隐形传态实验采用了在地面发射纠缠光子并在空中接收它们的方式。当墨子量子卫星通过时，它与*海拔5100米的阿里地面站建立了一条光链路。地面光源每秒产生8000次量子隐形传态，地面向卫星发射纠缠光子。实验通信距离从500公里到1400公里。所有6个隐形传态都超过了经典极限，置信度大于99.7%彭承志说:“假设这项工作在同样长度的光纤中重复进行，观察一个例子将需要3800亿年(宇宙年龄的20倍)。这一重要成果为未来空间尺度量子通信网络的研究以及空间量子物理和量子引力的实验验证奠定了可靠的技术基础。

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