量子通訊基于量子化學學的基本原理，克服了精典加密技術內在的安全隱患，是迄今為止惟一被嚴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、商業(yè)等領域的信息安全問題。量子通訊一般采用單光子作為化學載體，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隨著距離的降低而指數(shù)式降低，近地大氣信道就會遭到月球曲率的影響。因為量子不可克隆原理，量子通訊的訊號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錄只有百公里量級。為此，怎樣實現(xiàn)安全、長距離、可實用化的量子通訊是該領域的最大挑戰(zhàn)和國際學術界幾六年來拼搏的共同目標。
因為外太空幾乎真空，對于光訊號的吸收耗損幾乎為零，因而通過衛(wèi)星的輔助可以極大擴充量子通訊距離。本世紀初以來，該方向已成為了國際學術界激烈爭奪的焦點。潘建偉團隊為實現(xiàn)星地量子通訊舉辦了一系列先驅性的實驗研究。2003年，該團隊提出了借助衛(wèi)星實現(xiàn)星地間量子通訊、構建覆蓋全球量子保密通訊網的方案，此后于2004年在國際上首次實現(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)，驗證了穿過大氣層進行量子通訊的可行性。2011年末，中科院戰(zhàn)略性先導科技專項“量子科學實驗衛(wèi)星”正式立項。2012年，潘建偉領銜的中科院聯(lián)合研究團隊在湖南湖實現(xiàn)了首個百公里的單向量子糾纏分發(fā)和量子隱型傳態(tài)，充分驗證了借助衛(wèi)星實現(xiàn)量子通訊的可行性。2013年，中科院聯(lián)合研究團隊在湖南湖實現(xiàn)了模擬星地相對運動和星地鏈路大耗損的量子秘鑰分發(fā)實驗，全方位驗證了衛(wèi)星到地面的量子秘鑰分發(fā)的可行性。此后，該團隊經過堅苦攻關，克服種種困難，最終成功研發(fā)了“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星。“墨子號”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展，經過四個月的在軌測試，2017年1月18日即將交付舉辦科學實驗。
圖2：在湖南湖完成的百公里量子糾纏分發(fā)
潘建偉團隊借助“墨子號”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實驗：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)]，并進一步在量子保密通訊滬寧干線與“墨子號”量子衛(wèi)星之間成功實現(xiàn)了對接[,214-219(2021)]，驗證了星地廣域量子通訊的可行性；實現(xiàn)了星地單向量子糾纏分發(fā)實驗，觀察到了星地間千公里距離的嚴格滿足愛因斯坦定域性條件的Bell不方程的破缺，驗證了空間尺度量子糾纏的存在和量子熱學基本原理的正確性[,1140-1144(2017)]；完成了首個地星量子隱型傳態(tài)以及星地量子態(tài)遠程傳輸，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路奠定了基礎[,70–73(2017);,(2022)]；在完成了廣域量子通訊和量子熱學基本問題檢驗的既定科學目標后，還在空間量子科學實驗的其他方向展開了探求工作，借助上行量子信道，對一類預言引力場造成量子退相干的理論模型進行了實驗檢驗，邁出了探求量子熱學與廣義相對論相融合的實驗檢驗的第一步[,132(2019)]；將量子通訊技術與量子精密檢測技術相結合，實現(xiàn)了星地安全時頻傳輸實驗，驗證了在空間尺度舉辦廣域光頻標研究的可行性[,848-852(2020)]。這種空間量子科學實驗成果使我國第一次在空間科學研究領域走到了世界最前列，牢牢搶占了空間量子科學研究領域的主導和推動地位。
圖3：“墨子號”衛(wèi)星過境興隆地面站
“墨子號”量子衛(wèi)星項目的成功施行中國量子通訊最新進展，進一步迸發(fā)了全球關于空間量子實驗的大賽。2017年，新加坡宇航局（NASA）發(fā)布了關于未來空間量子化學發(fā)展方面的藍皮書，以期在新一輪空間量子科學發(fā)展中重新構建“美國領先”（“re-US”）。同期法國航天局（ESA）也發(fā)布了空間量子技術的藍皮書。在“墨子號”成功發(fā)射以后，世界各大強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)星的計劃和時間表。2021年6月，日本、英國、日本、加拿大、意大利、比利時和荷蘭7國更是在G7大會上達成合作，首次計劃聯(lián)合開發(fā)一個基于衛(wèi)星的量子加密網路——“聯(lián)邦量子系統(tǒng)”（FQS），借助量子技術的突破來防范日漸復雜的網路功擊等。
該綜述論文的最后對未來空間量子科學的主要發(fā)展方向進行了展望，提出空間量子科學研究必定從低軌道平臺跨越到中高軌平臺，甚至是深空平臺。在此基礎上，借助中高軌衛(wèi)星平臺覆蓋范圍廣、實驗時間長、微重力環(huán)境好等優(yōu)勢，將空間量子通訊技術同時交叉應用于遠距離高精度時頻傳遞和空間超冷原子化學等領域，在量子精密檢測、量子化學與廣義相對論融合等基礎科學問題方面獲得更豐富的科學產出。
圖4：未來量子天秤新藍圖
因為在遠距離量子通訊非常是“墨子號”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)學評論》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研究近二六年來取得的成就，重點論述了“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星從前期關鍵技術攻關，包括衛(wèi)星體統(tǒng)、科學應用系統(tǒng)等六大系統(tǒng)的量子科學實驗衛(wèi)星的建設和研發(fā)，到衛(wèi)星在軌運行后所取得的系統(tǒng)性科研成果，為國際學術界提供了寶貴的資料。
《現(xiàn)代數(shù)學評論》是國際數(shù)學學界最權威的綜述性刊物，每年僅發(fā)表約四十篇學術論文。該刊物通常不接受自由投稿，主要是約請在各領域卓有建樹的化學學家執(zhí)筆，借以對現(xiàn)今化學研究的重大熱點問題做歷史總結、原理闡明、現(xiàn)狀剖析和趨于預測。此論文是潘建偉團隊在該刊物上繼2012年的“多光子糾纏和干涉測度學”（and）以及2020年的“基于現(xiàn)實元件的安全量子秘鑰分發(fā)”（keywith）以后的第三篇綜述論文。
論文鏈接：
（南京微尺度物質科學國家研究中心、物理大學、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）