日前，中國科學(xué)院在京舉行新聞發(fā)布會對外宣布，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星提早并完滿實現(xiàn)全部三大既定科學(xué)目標(biāo)，為我國在未來繼續(xù)推動世界量子通訊技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子化學(xué)基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士及其朋友彭承志等組成的研究團(tuán)隊，聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)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(xué)中心等，在中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的支持下，利用“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，在國際上首次成功實現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。兩項成果于8月10日同時在線發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。這是繼上次在國際上率先實現(xiàn)千公里級星地單向量子糾纏分發(fā)和量子力學(xué)非定域性檢驗的研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志以后，我國科學(xué)家借助“墨子號”量子衛(wèi)星實現(xiàn)的空間量子化學(xué)研究另外兩項重大突破。
中國科學(xué)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(xué)和量子引力實驗檢驗的房門，為我國在國際上占據(jù)了量子科技創(chuàng)新制高點(diǎn)，成為國際同行的典范，實現(xiàn)了“領(lǐng)跑者”的轉(zhuǎn)變。
量子保密通信是目前人類惟一已知的不可監(jiān)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(jīng)濟(jì)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(fù)雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù)，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(jīng)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(shù)相結(jié)合，利用量子調(diào)控技術(shù)量子隱態(tài)傳輸，用一種革命性的方法對信息進(jìn)行編碼、存儲、傳輸和操縱，從而在確保信息安全、提高運(yùn)算速率、提升檢測精度等方面突破精典信息技術(shù)的困局。”
通常覺得，量子通信主要研究內(nèi)容包括量子密鑰分發(fā)（量子保密通信）和量子隱形傳態(tài)。
量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享無條件安全的秘鑰，利用該秘鑰對信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前人類惟一已知的不可監(jiān)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(fā)，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(fā)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(lǐng)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(xué)家借助量子有多個疊加態(tài)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(tài)，科學(xué)家便能立即從改變中發(fā)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(diǎn)，就能實現(xiàn)無條件安全的通訊方法。
量子通信的另一重要內(nèi)容量子隱形傳態(tài)，是借助量子糾纏特點(diǎn)可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身，通過隱型傳輸實現(xiàn)信息傳遞。遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)是實現(xiàn)分布式量子信息處理網(wǎng)路的基本單元。
外太空光訊號耗損特別小，因此通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)充量子通信距離
量子通信一般采用單光子作為化學(xué)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(shù)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(jì)錄為百公里量級。根據(jù)數(shù)據(jù)測算，通過1200公里的光纖，即使有每秒百億發(fā)射率的單光子源和完美的探測器，也須要數(shù)百萬年能夠構(gòu)建一個比特的秘鑰。因此，如何實現(xiàn)安全、長距離、可實用化的量子通信是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國際學(xué)術(shù)界幾十年來拼搏的共同目標(biāo)。
中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星工程常務(wù)副總師、衛(wèi)星系統(tǒng)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(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)充量子通信距離。同時，由于衛(wèi)星具有便捷覆蓋整個月球的獨(dú)到優(yōu)勢，是在全球尺度上實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離實用化量子密碼和量子隱形傳態(tài)最有希望的途徑。”
從本世紀(jì)初以來，該方向已成為國際學(xué)術(shù)界激烈爭奪的焦點(diǎn)。潘建偉團(tuán)隊為實現(xiàn)星地量子通信舉辦了一系列先驅(qū)性的實驗研究。
2003年，潘建偉團(tuán)隊提出了借助衛(wèi)星實現(xiàn)星地間量子通信、構(gòu)建覆蓋全球量子保密通信網(wǎng)的方案，隨后于2004年在國際上首次實現(xiàn)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(fā)，驗證了穿過大氣層進(jìn)行量子通信的可行性。2011年底量子隱態(tài)傳輸，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”正式立項。2012年，潘建偉領(lǐng)銜的中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊在青海湖實現(xiàn)了首個百公里的單向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，充分驗證了借助衛(wèi)星實現(xiàn)量子通信的可行性。2013年，中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊在青海湖實現(xiàn)了模擬星地相對運(yùn)動和星地鏈路大耗損的量子密鑰分發(fā)實驗，全方位驗證了衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)的可行性。隨后，該團(tuán)隊經(jīng)過堅苦攻關(guān)，克服種種困難，最終成功研發(fā)了“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星。“墨子號”衛(wèi)星于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過4個月的在軌測試，2017年1月18日即將交付舉辦科學(xué)實驗。
為建立覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)路奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)
此次完成的星地高速量子密鑰分發(fā)實驗是“墨子號”量子衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師、衛(wèi)星系統(tǒng)總工師彭承志說：“量子密鑰分發(fā)實驗采用衛(wèi)星發(fā)射量子訊號，地面接收的方法。‘墨子號’量子衛(wèi)星過境時，與廣東興隆地面光學(xué)站構(gòu)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(shù)量級（萬億億倍）。衛(wèi)星上量子引誘態(tài)光源平均每秒發(fā)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(dá)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(wǎng)路奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。“以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實現(xiàn)月球上任意兩點(diǎn)的秘鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)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(wǎng)（如南京量子通信網(wǎng)、濟(jì)南量子通信網(wǎng)、京滬干線）互聯(lián)，可以建立覆蓋全球的天地一體化保密通訊網(wǎng)路。”
地星量子隱形傳態(tài)實驗是“墨子號”量子衛(wèi)星的另一個科學(xué)目標(biāo)之一。
“量子隱形傳態(tài)實驗采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方法，‘墨子號’量子衛(wèi)星過境時，與海拔5100米的拉薩阿里地面站構(gòu)建光鏈路。地面光源每秒形成8000個量子隱形傳態(tài)例子，地面向衛(wèi)星發(fā)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(tài)均以小于99.7%的置信度趕超精典極限。”彭承志說：“假設(shè)在同樣寬度的光纖中重復(fù)這一工作，需要3800億年（宇宙年紀(jì)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(wǎng)路研究，以及空間量子物理學(xué)和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。”
（原載于《人民日報》 2017年08月10日 06版）
