航天日上竟然出現(xiàn)量子技術(shù)？
微觀量子與浩瀚宇宙有何關(guān)系？
4月24日-5月3日，以“格物致知拷問蒼穹”為主題的2023年“中國航天日”主場活動(dòng)在浙江省杭州市舉行，以“走向世界的中國航天”為主題的展覽同步舉辦。長征系列運(yùn)載灰熊、探月工程月壤樣本、“祝融號(hào)”火星車……一系列精彩迭出的展品全方位地詮釋了我國民航航天事業(yè)取得的輝煌成就。
在主題展覽上，還有一塊量子信息展區(qū)，這兒展示了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”、世界首顆量子微納衛(wèi)星、世界首列千公里級(jí)量子保密通訊“京滬干線”等領(lǐng)跑世界的量子信息技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化成果。不少前來觀展的愛好者發(fā)出疑惑：“量子信息”與“航空航天”似乎是毫不相干的兩個(gè)領(lǐng)域，為什么這種展品會(huì)在這兒？
航天日量子信息現(xiàn)場
實(shí)際上，仍然以來，我國量子技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與民航航天密不可分，無論是前沿的量子信息學(xué)術(shù)研究，還是實(shí)用的“星地一體量子保密通訊網(wǎng)路”，中國的量子信息技術(shù)在民航航天技術(shù)的推動(dòng)下不斷衍化出創(chuàng)新成果，邁向世界前沿，推動(dòng)空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用的發(fā)展。
“墨子號(hào)”，從0到1實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑
2016年8月16日1時(shí)40分，伴隨著隆隆炸雷，我國在蘭州衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號(hào)丁運(yùn)載湖人成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”送上太空。為了這三天，中國的量子化學(xué)學(xué)家們，早已打算了10多年。
早在本世紀(jì)初，早在本世紀(jì)初，剛才歸國不久的中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長潘建偉就以“構(gòu)建全球范圍量子通訊網(wǎng)”為目標(biāo)，探求實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通訊。這也是當(dāng)時(shí)量子通訊領(lǐng)域國際競爭的焦點(diǎn)之一。
2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)完成了中國在自由空間量子通訊領(lǐng)域的“開山之作”，在南京的大蜀山頂，進(jìn)行了全球首次歷時(shí)13公里的自由空間量子糾纏分發(fā)和量子通訊實(shí)驗(yàn)；2010年，她們又成功實(shí)現(xiàn)當(dāng)時(shí)世界上最遠(yuǎn)距離的16公里量子隱型傳態(tài)；2012年實(shí)現(xiàn)全球首個(gè)上百公里的自由空間量子隱型傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)……這一系列成果中國量子通訊是騙局，對(duì)基于衛(wèi)星的全球量子通訊網(wǎng)路和舉辦空間尺度量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)的可行性進(jìn)行了全方位的驗(yàn)證。
而隨著“墨子號(hào)”的升空，中國科學(xué)家率先走入顛覆性科技的“無人區(qū)”?！度A爾街晚報(bào)》曾以“沉寂了一千年，中國誓回發(fā)明創(chuàng)新之巔”為標(biāo)題發(fā)表專題文章，將“墨子號(hào)”作為中國創(chuàng)新能力提高的重要標(biāo)志。我國在量子通訊領(lǐng)域從“跟跑者”轉(zhuǎn)變?yōu)榱恕邦I(lǐng)跑者”。
開啟了太空之旅的“墨子號(hào)”也不負(fù)眾望，僅用了一年時(shí)間就完成了既定的三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)——星地量子秘鑰分發(fā)、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱型傳態(tài)。而截止目前，“墨子號(hào)”衛(wèi)星仍然在超期服役中，并產(chǎn)出了國際上首次千公里級(jí)基于糾纏的無中繼量子秘鑰分發(fā)、1200公里地表量子態(tài)傳輸新世界紀(jì)錄等一系列成果。2022年的，諾貝爾數(shù)學(xué)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)現(xiàn)場，展示了“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的圖片，介紹了中國團(tuán)隊(duì)的有關(guān)成果。
世界首顆量子科學(xué)衛(wèi)星“墨子號(hào)”
2022年，諾獎(jiǎng)第一次頒授給量子信息領(lǐng)域科學(xué)家
“量子摩羯”，從1到N奔向更高峰邁向！
盡管一顆“墨子號(hào)”已經(jīng)十分“優(yōu)秀”，產(chǎn)出了眾多領(lǐng)跑世界的成果，但它未能單槍匹馬完成好多重要科研驗(yàn)證。
“‘墨子號(hào)’只是一個(gè)起點(diǎn)，從實(shí)用的角度來說，必需要建立由高、中、低軌道衛(wèi)星組成的‘量子天秤’，構(gòu)建覆蓋全球的量子通訊網(wǎng)路?！敝袊拼髮W(xué)教授王建宇表示，“目前，我們起碼領(lǐng)先國際水平5年，假如基于中高軌的萬公里量子通訊衛(wèi)星順利發(fā)射，我們將起碼領(lǐng)先10年?！?span style="display:none">YZ8物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
為此，我國量子衛(wèi)星群計(jì)劃提上日程——計(jì)劃在5-10年內(nèi)發(fā)射3-5顆低軌量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，和中高軌量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星一起用“量子摩羯”覆蓋整個(gè)月球。這一方面是為了立足當(dāng)下，加速量子通訊實(shí)用化進(jìn)程，另一方面是放眼未來，探求更具顛覆性的前沿領(lǐng)域。
2020年5月，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院牽頭立項(xiàng)微納量子衛(wèi)星項(xiàng)目。2022年7月27日，我國在蘭州衛(wèi)星發(fā)射中心通過“力箭一號(hào)”運(yùn)載湖人成功發(fā)射了世界首顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號(hào)”。
“濟(jì)南一號(hào)”發(fā)射現(xiàn)場圖源：新華社
我國在量子通訊領(lǐng)域再度領(lǐng)跑世界，而“領(lǐng)跑”也意味著沒有任何先例可供參考，順利完成科研攻關(guān)的難度可想而知。
“科研團(tuán)隊(duì)突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，這才有了‘濟(jì)南一號(hào)’的誕生?！毙l(wèi)星項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一、中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長廖勝凱介紹到，“濟(jì)南一號(hào)”量子秘鑰分發(fā)荷載只有23公斤，雖然算上整星，也只有98公斤，僅是“墨子號(hào)”的六分之一，規(guī)格、功耗大大降低，研制成本和發(fā)射成本遠(yuǎn)高于“墨子號(hào)”。
與此同時(shí)，衛(wèi)星與地面“對(duì)話”也愈加便捷。交大國盾量子技術(shù)股份有限公司總工裁唐世彪博士介紹，由國盾量子研制生產(chǎn)的大型化量子衛(wèi)星地面站較“墨子號(hào)”升空時(shí)，除了成碼能力進(jìn)一步提高，重量也由12噸降至100公斤以下，可以在遠(yuǎn)洋海島、駐外機(jī)構(gòu)等場景快捷布署……
而作為我國建立“量子摩羯”的首星，“濟(jì)南一號(hào)”將在未來幾年配合“墨子號(hào)”以及量子衛(wèi)星地面站，完成一系列實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并進(jìn)一步促進(jìn)我國量子保密通訊的商業(yè)化。
據(jù)已然成為中國科大學(xué)教授、中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院常務(wù)副院長的潘建偉表示，她們目前正在與國家空間科學(xué)中心合作，研發(fā)一顆中高軌衛(wèi)星，未來高軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星結(jié)合，將建成廣域量子通訊網(wǎng)路。
世界首顆量子微納衛(wèi)星及國盾量子研制設(shè)計(jì)的大型化量子衛(wèi)星地面站
“天地一體”，從N到N+面向星辰大海
可以說，仍然以來民航航天技術(shù)的發(fā)展，為包括量子通訊技術(shù)在內(nèi)的眾多前沿技術(shù)的發(fā)展插上了翅膀。
一方面中國量子通訊是騙局，“飛上太空”的量子信息技術(shù)，也可以為探求基礎(chǔ)數(shù)學(xué)研究提供重大支持。在民航航天技術(shù)的幫助下，我們可以基于量子衛(wèi)星平臺(tái)探求基于光鐘的引力波偵測；也可以嘗試偵測暗物質(zhì)對(duì)基本常數(shù)的影響，以及國際基本計(jì)量單位傳遞能力等數(shù)學(xué)學(xué)基本原理檢驗(yàn)，量子糾纏、量子非定域性和量子引力等方面的研究，進(jìn)一步探求前沿科學(xué)和廣闊宇宙。
另一方面，包括“墨子號(hào)”在內(nèi)的“量子摩羯”，通過量子衛(wèi)星地面站進(jìn)一步與地面光纖量子保密通訊網(wǎng)路結(jié)合，量子通訊技術(shù)進(jìn)一步實(shí)用化，服務(wù)政務(wù)、金融、能源等領(lǐng)域，直到走入千家萬戶。
量子天秤療效圖
2017年，世界首列千公里級(jí)量子保密通訊“京滬干線”開通，并與“墨子號(hào)”成功對(duì)接，我國在世界上首次實(shí)現(xiàn)了洲際量子保密通訊。2021年，國際頂尖學(xué)術(shù)刊物《自然》雜志以“跨越4600公里的天地一體化量子通訊網(wǎng)路”為題，報(bào)導(dǎo)了我國建立了世界上首個(gè)集成700多條地面光纖量子秘鑰分發(fā)（QKD）鏈路和兩個(gè)衛(wèi)星對(duì)地自由空間高速Q(mào)KD鏈路的廣域量子通訊網(wǎng)路?！蹲匀弧冯s志審稿人評(píng)價(jià)稱，這是月球上最大、最先進(jìn)的量子秘鑰分發(fā)網(wǎng)路，是量子通訊“巨大的工程性成就”。而到明天，我國地面光纖量子保密通訊網(wǎng)路總長已擴(kuò)充至超1萬公里。
現(xiàn)在，由國家發(fā)改委批復(fù)建設(shè)的國家廣域量子保密通訊網(wǎng)路1期已建成，地面光纖量子網(wǎng)總長擴(kuò)充至1萬公里；在四川成都，由中國聯(lián)通牽手國盾量子、中聯(lián)通量子建成的規(guī)模最大、覆蓋最廣、應(yīng)用最多的量子保密通訊城域網(wǎng)——合肥量子城域網(wǎng)已投入使用，加上兩顆閃亮在天際的量子星，中國的科學(xué)家們的夢想正一步步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
未來，我國將繼續(xù)建立多縱多橫的地面光纖量子保密通訊網(wǎng)路，并依托不斷進(jìn)步的民航航天技術(shù)建立“量子摩羯”，進(jìn)而建立就能覆蓋全球的“天地一體”廣域量子保密通訊網(wǎng)路。這除了將促使量子通訊技術(shù)在政務(wù)、金融、能源等領(lǐng)域率先廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)量子通訊網(wǎng)路和精典通訊網(wǎng)路的無縫銜接，還將為產(chǎn)生具有國際推動(dòng)地位的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和下一代國家信息安全生態(tài)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。