日前，中國科學院在京舉行新聞發布會對外宣布，“墨子號”量子科學實驗衛星提早并完滿實現全部三大既定科學目標，為我國在未來繼續推動世界量子通訊技術發展和空間尺度量子化學基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。
中國科學技術大學潘建偉院士及其朋友彭承志等組成的研究團隊，聯合中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國家天文臺、紫金山天文臺、南京天文儀器有限公司、國家空間科學中心等，在中國科學院空間科學戰略性先導科技專項的支持下，利用“墨子號”量子科學實驗衛星，在國際上首次成功實現了從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態。兩項成果于8月10日同時在線發表在國際權威學術期刊《自然》雜志上。這是繼上次在國際上率先實現千公里級星地單向量子糾纏分發和量子力學非定域性檢驗的研究成果發表在《科學》雜志以后，我國科學家借助“墨子號”量子衛星實現的空間量子化學研究另外兩項重大突破。
中國科學院教授、黨組書記白春禮表示，“墨子號”開啟了全球化量子通信、空間量子物理學和量子引力實驗檢驗的房門，為我國在國際上占據了量子科技創新制高點，成為國際同行的典范，實現了“領跑者”的轉變。
量子保密通信是目前人類惟一已知的不可監聽、不可破譯的無條件安全的通訊方法
通信安全是國家信息安全和人類經濟社會生活的基本需求。千百年來，人們對于通訊安全的追求未曾停止。然而，基于估算復雜性的傳統加密技術，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著物理和估算能力的不斷提高，經典密碼被破譯的可能性與日俱增。
潘建偉說：“通過量子通信可以解決這個問題。也就是說，把量子物理與信息技術相結合，利用量子調控技術量子隱態傳輸，用一種革命性的方法對信息進行編碼、存儲、傳輸和操縱，從而在確保信息安全、提高運算速率、提升檢測精度等方面突破精典信息技術的困局。”
通常覺得，量子通信主要研究內容包括量子密鑰分發（量子保密通信）和量子隱形傳態。
量子密鑰分發通過量子態的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的秘鑰，利用該秘鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，這是目前人類惟一已知的不可監聽、不可破譯的無條件安全的通訊方法。
“通俗來講，量子密鑰分發，就好比一個人想要傳遞秘密給另外一個人，需要把儲存秘密的袋子和一把鎖匙傳給接收方。接收方只有用這把鎖匙打開袋子，才能取到秘密。沒有這把鎖匙，別人難以打開袋子，而且一旦這把鎖匙被他人動過，傳送者會立即發覺，原有的鎖匙作廢，再給一把新的鎖匙，直到確保接收方本人領到。”潘建偉說。
那么，為什么鎖匙被他人一碰，就能立即被知曉呢？
因為，科學家借助量子有多個疊加態的原理，用量子作為秘鑰。這樣一來，一旦有人企圖查獲或測試量子秘鑰，就會改變量子狀態，科學家便能立即從改變中發覺有人動了鎖匙。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特點，就能實現無條件安全的通訊方法。
量子通信的另一重要內容量子隱形傳態，是借助量子糾纏特點可以將物質的未知量子態精確傳送到遙遠地點，而不用傳送物質本身，通過隱型傳輸實現信息傳遞。遠距離量子隱形傳態是實現分布式量子信息處理網路的基本單元。
外太空光訊號耗損特別小，因此通過衛星的輔助可以大大擴充量子通信距離
量子通信一般采用單光子作為化學載體，最為直接的方法是通過光纖或則近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的耗損都隨著距離的降低而指數降低。由于量子不可克隆原理，量子通信的訊號不能像精典通訊那樣被放大，這促使之前量子通信的世界紀錄為百公里量級。根據數據測算，通過1200公里的光纖，即使有每秒百億發射率的單光子源和完美的探測器，也須要數百萬年能夠構建一個比特的秘鑰。因此，如何實現安全、長距離、可實用化的量子通信是該領域的最大挑戰和國際學術界幾十年來拼搏的共同目標。
中國科學院上海技術物理研究所研究員，量子科學實驗衛星工程常務副總師、衛星系統總指揮王建宇說：“利用外太空幾乎真空因此光訊號耗損特別小的特性，通過衛星的輔助可以大大擴充量子通信距離。同時，由于衛星具有便捷覆蓋整個月球的獨到優勢，是在全球尺度上實現超遠距離實用化量子密碼和量子隱形傳態最有希望的途徑。”
從本世紀初以來，該方向已成為國際學術界激烈爭奪的焦點。潘建偉團隊為實現星地量子通信舉辦了一系列先驅性的實驗研究。
2003年，潘建偉團隊提出了借助衛星實現星地間量子通信、構建覆蓋全球量子保密通信網的方案，隨后于2004年在國際上首次實現了水平距離13公里（大于大氣層垂直長度）的自由空間單向量子糾纏分發，驗證了穿過大氣層進行量子通信的可行性。2011年底量子隱態傳輸，中科院戰略性先導科技專項“量子科學實驗衛星”正式立項。2012年，潘建偉領銜的中科院聯合研究團隊在青海湖實現了首個百公里的單向量子糾纏分發和量子隱形傳態，充分驗證了借助衛星實現量子通信的可行性。2013年，中科院聯合研究團隊在青海湖實現了模擬星地相對運動和星地鏈路大耗損的量子密鑰分發實驗，全方位驗證了衛星到地面的量子密鑰分發的可行性。隨后，該團隊經過堅苦攻關，克服種種困難，最終成功研發了“墨子號”量子科學實驗衛星。“墨子號”衛星于2016年8月16日在酒泉衛星發射中心發射升空，經過4個月的在軌測試，2017年1月18日即將交付舉辦科學實驗。
為建立覆蓋全球的量子保密通信網路奠定了可靠的技術基礎
此次完成的星地高速量子密鑰分發實驗是“墨子號”量子衛星的科學目標之一。
中國科學技術大學研究員，量子科學實驗衛星科學應用系統總師、衛星系統總工師彭承志說：“量子密鑰分發實驗采用衛星發射量子訊號，地面接收的方法。‘墨子號’量子衛星過境時，與廣東興隆地面光學站構建光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通訊距離上，星地量子秘鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數量級（萬億億倍）。衛星上量子引誘態光源平均每秒發送4000萬個訊號光子，一次過軌對接實驗可生成30萬比特的安全秘鑰，平均成分辨率可達1千1百比特每秒。”
潘建偉表示，這一重要成果為建立覆蓋全球的量子保密通信網路奠定了可靠的技術基礎。“以星地量子密鑰分發為基礎，將衛星作為可信中繼，可以實現月球上任意兩點的秘鑰共享，將量子密鑰分發范圍擴充到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網（如南京量子通信網、濟南量子通信網、京滬干線）互聯，可以建立覆蓋全球的天地一體化保密通訊網路。”
地星量子隱形傳態實驗是“墨子號”量子衛星的另一個科學目標之一。
“量子隱形傳態實驗采用地面發射糾纏光子、天上接收的方法，‘墨子號’量子衛星過境時，與海拔5100米的拉薩阿里地面站構建光鏈路。地面光源每秒形成8000個量子隱形傳態例子，地面向衛星發射糾纏光子，實驗通訊距離從500公里到1400公里，所有6個待傳送態均以小于99.7%的置信度趕超精典極限。”彭承志說：“假設在同樣寬度的光纖中重復這一工作，需要3800億年（宇宙年紀的20倍）才能觀測到1個例子。這一重要成果為未來舉辦空間尺度量子通信網路研究，以及空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎。”
（原載于《人民日報》 2017年08月10日 06版）
