量子通信： 架起天地一體萬里通信網

  ICC訊 全球首個星地量子通信網絡，覆蓋我國四省三市32個節(jié)點，包括北京、濟南、合肥和上海4個量子城域網，通過兩個衛(wèi)星地面站與“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星相連，總距離為4600公里，目前已接入金融、電力、政務等行業(yè)的150多家用戶。

  遨游在太空的“墨子號”量子科學實驗衛(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《辭海》（第七版）正式對外發(fā)布，本次新增內容中添加了“量子通信”“量子科學實驗衛(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載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。為了這一天，中國的量子物理學家們，已經準備了10多年。

“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星 中國科學技術大學供圖

  把量子實驗室“搬”上太空

  “墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星的誕生，源于我國“構建全球范圍量子通信網”的科學愿景。

  “把量子實驗室‘搬’上太空的設想，10多年前就已被提出?！敝袊茖W技術大學教授、中國科學院院士潘建偉說。

  早在2003年，潘建偉團隊就開始探索在自由空間實現(xiàn)更遠距離的量子通信，提出了利用衛(wèi)星實現(xiàn)遠距離量子糾纏分發(fā)的方案。在自由空間，環(huán)境對光量子態(tài)的干擾效應極小，而光量子在穿透大氣層進入外層空間后，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距離傳輸方面更具優(yōu)勢。

  2005年，潘建偉團隊首先在合肥實現(xiàn)距離達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，這次實驗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，其可被應用于高效、安全的量子通信，該實驗為后續(xù)的自由空間量子通信實驗奠定基礎。

  此前，一直走在全球量子通信領域前列的，是奧地利物理學家安東·蔡林格的團隊。安東·蔡林格團隊1997年在室內首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫嶒烌炞C，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位期間，曾在安東·蔡林格團隊擔任研究骨干。

  2001年，潘建偉學成回國，在中國科學技術大學建立起中國的量子物理實驗室。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高峰的競賽。

  相比于安東·蔡林格團隊，潘建偉團隊的進度更快，并逐步實現(xiàn)了從并跑到小幅度領先的超越。

  2010年，潘建偉團隊成功實現(xiàn)當時世界上最遠距離的16公里量子隱形傳態(tài)，首次證實量子隱形傳態(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奠定了可靠基礎。為了這次實驗，潘建偉團隊從2007年開始在北京八達嶺與河北懷來之間架設了一條長達16公里的自由空間量子信道。

  隨后，潘建偉團隊在青海湖地區(qū)新建實驗基地，開展驗證星地自由空間量子通信可行性的地基實驗研究，從多個方面進行攻關，旨在突破基于衛(wèi)星平臺自由空間量子通信的關鍵技術瓶頸，并在2012年實現(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行了全方位地面驗證。

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

  中國團隊的這些研究工作，證明了實現(xiàn)基于衛(wèi)星的全球量子通信網絡和開展空間尺度量子力學基礎檢驗的可行性。

  挑戰(zhàn)世界最高難度

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

  2011年1月25日，中國科學院實施啟動首批“4+1”個戰(zhàn)略性先導科技專項，其中就包括空間科學先導專項?？臻g科學先導專項第一批確定研發(fā)包括“墨子號”在內的四顆科學實驗衛(wèi)星。另外三顆分別為暗物質探測衛(wèi)星“悟空”、我國首顆微重力科學實驗衛(wèi)星“實踐十號”和硬X射線調制望遠鏡衛(wèi)星“慧眼”。

  “工程師的任務是技術實現(xiàn)，要把科學家的夢想變成現(xiàn)實?！?A href="http://m.3xchallenge.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e9%87%8f%e5%ad%90&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">量子衛(wèi)星工程常務副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說，2011年量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”項目正式立項后，更高難度的挑戰(zhàn)開始了。

  量子科學實驗衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的星地量子通信設備，突破了一系列高精尖技術，包括“針尖對麥芒”的星地光路對準，偏振態(tài)保持與星地基矢校正，量子光源載荷等關鍵技術。

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

  在2007年至2010年的關鍵技術攻關階段，研究團隊將量子密鑰產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，晚上團隊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驗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為，最困難的環(huán)節(jié)就是實現(xiàn)天地一體化聯(lián)通。

  按潘建偉等科學家的實驗設計要求，“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——合肥量子科學實驗中心，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)實驗平臺。衛(wèi)星和地面站之間，要做到最高精度的瞄準和最靈敏的探測。

  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，星地實驗就相當于要在萬米高空飛行的飛機上，不斷把上億個硬幣一個個投到地面上一個不斷旋轉的儲錢罐里（偏振測量的基矢在變化），這不但要求硬幣擊中儲錢罐（瞄準精度），而且要求硬幣準確射入罐子上細長的投幣口（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”，王建宇團隊與潘建偉團隊一道，從2012年起開始進行了各種實驗：收發(fā)距離40公里的轉臺實驗，要與衛(wèi)星繞地運行的角速度一致；30公里距離的車載高速運動實驗，要考驗超遠距離“移動瞄靶”能力；熱氣球浮空平臺實驗，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”，其關鍵技術最終被一一攻破，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。

  構建首個星地量子通信網

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

  2021年1月7日，國際頂級學術期刊《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絡》的論文。中國科學技術大學宣布，中國科研團隊成功實現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)，標志著我國已構建出天地一體化廣域量子通信網雛形。

  20年磨一劍，中國在量子通信域實現(xiàn)了從跟跑到領跑：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?A href="http://m.3xchallenge.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e9%87%8f%e5%ad%90&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">量子科學實驗衛(wèi)星于2016年8月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，圓滿完成了預定的全部科學目標。

  “墨子號”牽手“京滬干線”，中國科學技術大學科研人員潘建偉、陳宇翱、彭承志等與中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、濟南量子技術研究院及中國有線電視網絡有限公司合作，構建了全球首個星地量子通信網。經過為期兩年多的穩(wěn)定性、安全性測試，該通信網實現(xiàn)了跨越4600公里的多用戶量子密鑰分發(fā)。

  “要實現(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，科研團隊在光學系統(tǒng)等方面發(fā)展了多項先進技術，化解了這些難題。

  全球首個星地量子通信網絡，覆蓋我國四省三市32個節(jié)點，包括北京、濟南、合肥和上海4個量子城域網，通過兩個衛(wèi)星地面站與“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星相連，總距離為4600公里，目前已接入金融、電力、政務等行業(yè)的150多家用戶。

  目前，廣域量子通信網絡的雛形已基本形成，未來在此基礎上，可進一步推動量子通信在金融、政務、國防、電子信息等領域的廣泛應用。

  《自然》雜志審稿人對此評價道，這是地球上最大、最先進的量子密鑰分發(fā)網絡，是量子通信“巨大的工程性成就”。星地量子通信網的建成，為未來實現(xiàn)覆蓋全球的“量子網”奠定科技基礎，也為相對論、引力波等科學研究，提供了前所未有的“天地實驗室”。