量子通訊基于量子化學(xué)學(xué)的基本原理，克服了精典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患，是迄今為止惟一被嚴(yán)格證明是無條件安全的通訊方法，可以從根本上解決國防、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問題。量子通訊一般采用單光子作為化學(xué)載體，最為直接的傳輸方法是光纖或則近地面自由空間信道。并且，這兩種信道的耗損就會(huì)隨著距離的降低而指數(shù)式降低，近地大氣信道就會(huì)遭到月球曲率的影響。因?yàn)榱孔硬豢煽寺≡恚孔油ㄓ嵉挠嵦?hào)不能像精典通訊那樣被放大，這促使之前量子通訊的世界紀(jì)錄只有百公里量級(jí)。為此，怎樣實(shí)現(xiàn)安全、長距離、可實(shí)用化的量子通訊是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國際學(xué)術(shù)界幾六年來拼搏的共同目標(biāo)。
因?yàn)橥馓諑缀跽婵眨瑢?duì)于光訊號(hào)的吸收耗損幾乎為零，因而通過衛(wèi)星的輔助可以極大擴(kuò)充量子通訊距離。本世紀(jì)初以來，該方向已成為了國際學(xué)術(shù)界激烈爭奪的焦點(diǎn)。潘建偉團(tuán)隊(duì)為實(shí)現(xiàn)星地量子通訊舉辦了一系列先驅(qū)性的實(shí)驗(yàn)研究。2003年，該團(tuán)隊(duì)提出了借助衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)星地間量子通訊、構(gòu)建覆蓋全球量子保密通訊網(wǎng)的方案，此后于2004年在國際上首次實(shí)現(xiàn)了水平距離13公里（小于大氣層垂直長度）的自由空間單向量子糾纏分發(fā)，驗(yàn)證了穿過大氣層進(jìn)行量子通訊的可行性。2011年末，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正式立項(xiàng)。2012年，潘建偉領(lǐng)銜的中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在湖南湖實(shí)現(xiàn)了首個(gè)百公里的單向量子糾纏分發(fā)和量子隱型傳態(tài)，充分驗(yàn)證了借助衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)量子通訊的可行性。2013年，中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在湖南湖實(shí)現(xiàn)了模擬星地相對(duì)運(yùn)動(dòng)和星地鏈路大耗損的量子秘鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，全方位驗(yàn)證了衛(wèi)星到地面的量子秘鑰分發(fā)的可行性。此后，該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過堅(jiān)苦攻關(guān)，克服種種困難，最終成功研發(fā)了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。“墨子號(hào)”衛(wèi)星于2016年8月16日在西寧衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空中國量子通訊最新進(jìn)展，經(jīng)過四個(gè)月的在軌測試，2017年1月18日即將交付舉辦科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
圖2：在湖南湖完成的百公里量子糾纏分發(fā)
潘建偉團(tuán)隊(duì)借助“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星在國際上率先完成了一系列具有開創(chuàng)意義的星地量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)：完成了星地量子秘鑰分發(fā)[,43–47(2017)]、北京到維也納的洲際量子秘鑰分發(fā)[,(2018)]，基于糾纏的無需可信中繼量子秘鑰分發(fā)[,501-505(2020);,(2017)]，并進(jìn)一步在量子保密通訊滬寧干線與“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星之間成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)接[,214-219(2021)]，驗(yàn)證了星地廣域量子通訊的可行性；實(shí)現(xiàn)了星地單向量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)，觀察到了星地間千公里距離的嚴(yán)格滿足愛因斯坦定域性條件的Bell不方程的破缺，驗(yàn)證了空間尺度量子糾纏的存在和量子熱學(xué)基本原理的正確性[,1140-1144(2017)]；完成了首個(gè)地星量子隱型傳態(tài)以及星地量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸，證明了在地星千公里距離上才能完成量子比特的傳輸，為全球化量子信息處理網(wǎng)路奠定了基礎(chǔ)[,70–73(2017);,(2022)]；在完成了廣域量子通訊和量子熱學(xué)基本問題檢驗(yàn)的既定科學(xué)目標(biāo)后，還在空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的其他方向展開了探求工作，借助上行量子信道，對(duì)一類預(yù)言引力場造成量子退相干的理論模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，邁出了探求量子熱學(xué)與廣義相對(duì)論相融合的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的第一步[,132(2019)]；將量子通訊技術(shù)與量子精密檢測技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了星地安全時(shí)頻傳輸實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了在空間尺度舉辦廣域光頻標(biāo)研究的可行性[,848-852(2020)]。這種空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)成果使我國第一次在空間科學(xué)研究領(lǐng)域走到了世界最前列，牢牢搶占了空間量子科學(xué)研究領(lǐng)域的主導(dǎo)和推動(dòng)地位。
圖3：“墨子號(hào)”衛(wèi)星過境興隆地面站
“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星項(xiàng)目的成功施行中國量子通訊最新進(jìn)展，進(jìn)一步迸發(fā)了全球關(guān)于空間量子實(shí)驗(yàn)的大賽。2017年，新加坡宇航局（NASA）發(fā)布了關(guān)于未來空間量子化學(xué)發(fā)展方面的藍(lán)皮書，以期在新一輪空間量子科學(xué)發(fā)展中重新構(gòu)建“美國領(lǐng)先”（“re-US”）。同期法國航天局（ESA）也發(fā)布了空間量子技術(shù)的藍(lán)皮書。在“墨子號(hào)”成功發(fā)射以后，世界各大強(qiáng)國紛紛開始了自己的量子衛(wèi)星研制，推出了基于低軌道大型化量子衛(wèi)星的計(jì)劃和時(shí)間表。2021年6月，日本、英國、日本、加拿大、意大利、比利時(shí)和荷蘭7國更是在G7大會(huì)上達(dá)成合作，首次計(jì)劃聯(lián)合開發(fā)一個(gè)基于衛(wèi)星的量子加密網(wǎng)路——“聯(lián)邦量子系統(tǒng)”（FQS），借助量子技術(shù)的突破來防范日漸復(fù)雜的網(wǎng)路功擊等。
該綜述論文的最后對(duì)未來空間量子科學(xué)的主要發(fā)展方向進(jìn)行了展望，提出空間量子科學(xué)研究必定從低軌道平臺(tái)跨越到中高軌平臺(tái)，甚至是深空平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，借助中高軌衛(wèi)星平臺(tái)覆蓋范圍廣、實(shí)驗(yàn)時(shí)間長、微重力環(huán)境好等優(yōu)勢，將空間量子通訊技術(shù)同時(shí)交叉應(yīng)用于遠(yuǎn)距離高精度時(shí)頻傳遞和空間超冷原子化學(xué)等領(lǐng)域，在量子精密檢測、量子化學(xué)與廣義相對(duì)論融合等基礎(chǔ)科學(xué)問題方面獲得更豐富的科學(xué)產(chǎn)出。
圖4：未來量子天秤新藍(lán)圖
因?yàn)樵谶h(yuǎn)距離量子通訊非常是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星方面所取得的一系列具有開創(chuàng)性意義的工作，潘建偉等受邀為《現(xiàn)代數(shù)學(xué)評(píng)論》撰寫的這篇46頁的綜述論文，全面介紹了國際空間量子科學(xué)研究近二六年來取得的成就，重點(diǎn)論述了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星從前期關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，包括衛(wèi)星體統(tǒng)、科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)等六大系統(tǒng)的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的建設(shè)和研發(fā)，到衛(wèi)星在軌運(yùn)行后所取得的系統(tǒng)性科研成果，為國際學(xué)術(shù)界提供了寶貴的資料。
《現(xiàn)代數(shù)學(xué)評(píng)論》是國際數(shù)學(xué)學(xué)界最權(quán)威的綜述性刊物，每年僅發(fā)表約四十篇學(xué)術(shù)論文。該刊物通常不接受自由投稿，主要是約請?jiān)诟黝I(lǐng)域卓有建樹的化學(xué)學(xué)家執(zhí)筆，借以對(duì)現(xiàn)今化學(xué)研究的重大熱點(diǎn)問題做歷史總結(jié)、原理闡明、現(xiàn)狀剖析和趨于預(yù)測。此論文是潘建偉團(tuán)隊(duì)在該刊物上繼2012年的“多光子糾纏和干涉測度學(xué)”（and）以及2020年的“基于現(xiàn)實(shí)元件的安全量子秘鑰分發(fā)”（keywith）以后的第三篇綜述論文。
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（南京微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、物理大學(xué)、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）