航天日上竟然出現量子技術？
微觀量子與浩瀚宇宙有何關系？
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。長征系列運載灰熊、探月工程月壤樣本、“祝融號”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取得的輝煌成就。
在主題展覽上，還有一塊量子信息展區，這兒展示了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”、世界首顆量子微納衛星、世界首列千公里級量子保密通訊“京滬干線”等領跑世界的量子信息技術及產業化成果。不少前來觀展的愛好者發出疑惑：“量子信息”與“航空航天”似乎是毫不相干的兩個領域，為什么這種展品會在這兒？
航天日量子信息現場
實際上，仍然以來，我國量子技術與產業的發展與民航航天密不可分，無論是前沿的量子信息學術研究，還是實用的“星地一體量子保密通訊網路”，中國的量子信息技術在民航航天技術的推動下不斷衍化出創新成果，邁向世界前沿，推動空間科學、空間技術、空間應用的發展。
“墨子號”，從0到1實現領跑
2016年8月16日1時40分，伴隨著隆隆炸雷，我國在蘭州衛星發射中心用長征二號丁運載湖人成功將世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”送上太空。為了這三天，中國的量子化學學家們，早已打算了10多年。
早在本世紀初，早在本世紀初，剛才歸國不久的中國科學技術學院院長潘建偉就以“構建全球范圍量子通訊網”為目標，探求實現更遠距離的量子通訊。這也是當時量子通訊領域國際競爭的焦點之一。
2005年，潘建偉團隊完成了中國在自由空間量子通訊領域的“開山之作”，在南京的大蜀山頂，進行了全球首次歷時13公里的自由空間量子糾纏分發和量子通訊實驗；2010年，她們又成功實現當時世界上最遠距離的16公里量子隱型傳態；2012年實現全球首個上百公里的自由空間量子隱型傳態和量子糾纏分發……這一系列成果中國量子通訊是騙局，對基于衛星的全球量子通訊網路和舉辦空間尺度量子力學基礎檢驗的可行性進行了全方位的驗證。
而隨著“墨子號”的升空，中國科學家率先走入顛覆性科技的“無人區”。《華爾街晚報》曾以“沉寂了一千年，中國誓回發明創新之巔”為標題發表專題文章，將“墨子號”作為中國創新能力提高的重要標志。我國在量子通訊領域從“跟跑者”轉變為了“領跑者”。
開啟了太空之旅的“墨子號”也不負眾望，僅用了一年時間就完成了既定的三大科學實驗任務——星地量子秘鑰分發、星地量子糾纏分發以及地星量子隱型傳態。而截止目前，“墨子號”衛星仍然在超期服役中，并產出了國際上首次千公里級基于糾纏的無中繼量子秘鑰分發、1200公里地表量子態傳輸新世界紀錄等一系列成果。2022年的，諾貝爾數學學獎頒獎現場，展示了“墨子號”量子衛星的圖片，介紹了中國團隊的有關成果。
世界首顆量子科學衛星“墨子號”
2022年，諾獎第一次頒授給量子信息領域科學家
“量子摩羯”，從1到N奔向更高峰邁向！
盡管一顆“墨子號”已經十分“優秀”，產出了眾多領跑世界的成果，但它未能單槍匹馬完成好多重要科研驗證。
“‘墨子號’只是一個起點，從實用的角度來說，必需要建立由高、中、低軌道衛星組成的‘量子天秤’，構建覆蓋全球的量子通訊網路。”中國科大學教授王建宇表示，“目前，我們起碼領先國際水平5年，假如基于中高軌的萬公里量子通訊衛星順利發射，我們將起碼領先10年。”
為此，我國量子衛星群計劃提上日程——計劃在5-10年內發射3-5顆低軌量子科學實驗衛星，和中高軌量子科學實驗衛星一起用“量子摩羯”覆蓋整個月球。這一方面是為了立足當下，加速量子通訊實用化進程，另一方面是放眼未來，探求更具顛覆性的前沿領域。
2020年5月，中科院量子信息與量子科技創新研究院牽頭立項微納量子衛星項目。2022年7月27日，我國在蘭州衛星發射中心通過“力箭一號”運載湖人成功發射了世界首顆量子微納衛星“濟南一號”。
“濟南一號”發射現場圖源：新華社
我國在量子通訊領域再度領跑世界，而“領跑”也意味著沒有任何先例可供參考，順利完成科研攻關的難度可想而知。
“科研團隊突破了多項關鍵技術，這才有了‘濟南一號’的誕生。”衛星項目負責人之一、中國科學技術學院院長廖勝凱介紹到，“濟南一號”量子秘鑰分發荷載只有23公斤，雖然算上整星，也只有98公斤，僅是“墨子號”的六分之一，規格、功耗大大降低，研制成本和發射成本遠高于“墨子號”。
與此同時，衛星與地面“對話”也愈加便捷。交大國盾量子技術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的大型化量子衛星地面站較“墨子號”升空時，除了成碼能力進一步提高，重量也由12噸降至100公斤以下，可以在遠洋海島、駐外機構等場景快捷布署……
而作為我國建立“量子摩羯”的首星，“濟南一號”將在未來幾年配合“墨子號”以及量子衛星地面站，完成一系列實驗任務，并進一步促進我國量子保密通訊的商業化。
據已然成為中國科大學教授、中國科學技術學院常務副院長的潘建偉表示，她們目前正在與國家空間科學中心合作，研發一顆中高軌衛星，未來高軌衛星和低軌衛星結合，將建成廣域量子通訊網路。
世界首顆量子微納衛星及國盾量子研制設計的大型化量子衛星地面站
“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的發展，為包括量子通訊技術在內的眾多前沿技術的發展插上了翅膀。
一方面中國量子通訊是騙局，“飛上太空”的量子信息技術，也可以為探求基礎數學研究提供重大支持。在民航航天技術的幫助下，我們可以基于量子衛星平臺探求基于光鐘的引力波偵測；也可以嘗試偵測暗物質對基本常數的影響，以及國際基本計量單位傳遞能力等數學學基本原理檢驗，量子糾纏、量子非定域性和量子引力等方面的研究，進一步探求前沿科學和廣闊宇宙。
另一方面，包括“墨子號”在內的“量子摩羯”，通過量子衛星地面站進一步與地面光纖量子保密通訊網路結合，量子通訊技術進一步實用化，服務政務、金融、能源等領域，直到走入千家萬戶。
量子天秤療效圖
2017年，世界首列千公里級量子保密通訊“京滬干線”開通，并與“墨子號”成功對接，我國在世界上首次實現了洲際量子保密通訊。2021年，國際頂尖學術刊物《自然》雜志以“跨越4600公里的天地一體化量子通訊網路”為題，報導了我國建立了世界上首個集成700多條地面光纖量子秘鑰分發（QKD）鏈路和兩個衛星對地自由空間高速QKD鏈路的廣域量子通訊網路。《自然》雜志審稿人評價稱，這是月球上最大、最先進的量子秘鑰分發網路，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路總長已擴充至超1萬公里。
現在，由國家發改委批復建設的國家廣域量子保密通訊網路1期已建成，地面光纖量子網總長擴充至1萬公里；在四川成都，由中國聯通牽手國盾量子、中聯通量子建成的規模最大、覆蓋最廣、應用最多的量子保密通訊城域網——合肥量子城域網已投入使用，加上兩顆閃亮在天際的量子星，中國的科學家們的夢想正一步步變為現實。
未來，我國將繼續建立多縱多橫的地面光纖量子保密通訊網路，并依托不斷進步的民航航天技術建立“量子摩羯”，進而建立就能覆蓋全球的“天地一體”廣域量子保密通訊網路。這除了將促使量子通訊技術在政務、金融、能源等領域率先廣泛應用，實現量子通訊網路和精典通訊網路的無縫銜接，還將為產生具有國際推動地位的戰略性新興產業和下一代國家信息安全生態系統奠定基礎。