“空間量子科學領域在那些年得到了長足的發展，我們中國的貢獻起了關鍵性作用。非常是在2011年立項了‘墨子號’量子科學實驗衛星的發展之下，2016年成功發射了國際首顆量子科學實驗衛星。在這顆衛星的幫助下，我們在國際上的科學實驗跨越十分大。”9月24日，中國科學技術學院研究員彭承志在“2021量子信息技術學術交流會議”上進行報告時表示。
彭承志介紹道，有了衛星，能實現千公里級的量子通訊、地星量子隱型傳態、星地單向量子糾纏分發等。“空間量子科學大有可為，有好多新的前沿讓我們探求。”
中國科學技術學院研究員彭承志
彭承志是中國科學技術學院研究員，博士生導師，同時兼任起源于中國科學技術學院的世界首家量子科技上市公司——科大國盾量子技術股份有限公司（簡稱“國盾量子”，）監事長。
中科大官網顯示量子通訊股票，彭承志自從事量子通訊研究以來，一直圍繞著量子信源、傳輸通道以及偵測這三個核心問題，將光纖、自由空間兩種不同信道的量子通訊實驗與傳統光學技術進行了融合和交叉研究，在實用化引誘態量子秘鑰分發和基于糾纏的量子通訊研究方向上取得了若干研究成果。2011年，中科院空間科學先導專項量子科學實驗衛星即將立項，彭承志被委任為科學應用系統總師和衛星系統總工師。
從最初的簡單看法延展到空間量子科學實驗的大領域
量子具有“不可克隆定律”，就是說難以做到克隆（復制）一個量子態而對被克隆的量子態不形成影響。而任何未授權方試圖盜取秘鑰的偵測都可以看作是一種“克隆”，這都會帶來額外的誤碼，授權用戶在后處理過程中會依據誤碼發覺有人監聽。為此，量子通訊才能保障通訊安全。
量子通訊采用的載體是單個光子，單光子在光纖中傳輸不可防止地會出現一些耗損。“當時業界基本覺得：光纖量子通訊的距離很難超過100或200公里。”彭承志表示。
“所以，作為一種通訊方法，或則一種秘鑰傳輸的形式，如何實現全球覆蓋？我們自然而然就想，地面做不下去，就借助天上的衛星平臺。光子在太空傳輸時幾乎沒有衰減，這些特點讓我們來考慮拿來實現廣域、覆蓋全球的量子通訊。”彭承志表示，要做到這一點，最核心是實現光源偵測和光量子態在星地空間的傳輸。
“如果能做到這一點，除了可以傳輸相干的量子態，還可以把糾纏遷往星地空間，把原先只能在地面實驗室做的近距離的量子熱學非定域性檢驗，放在一個更廣的系統上。更進一步，當量子糾纏在重力場傳輸時，這就跟你們關注的前沿數學問題結合在一起：廣義相對論和量子熱學的融合理論。并且這些量子傳輸還可以拿來做一些廣域高精度光頻標實驗。”
彭承志表示，這樣就從最早的遠距離量子通訊問題，衍生出許多空間量子科學相關領域。那些領域共同構成整個空間量子科學實驗大領域。
彭承志介紹道，2016年成功發射“墨子號”衛星，在衛星幫助下，她們在國際上率先舉辦了系列空間量子科學實驗。她們實現了千公里級量子秘鑰分發，分發速度約1kbps，比同距離光纖增強20個數目級；還實現了千公里級地星量子隱型傳態，千公里級星地單向量子糾纏分發，以及空間尺度嚴格滿足“愛因斯坦”量子熱學的非定域性檢驗。
她們第一次借助量子衛星在月球引力場中，對嘗試融合廣義相對論和量子熱學的模型進行檢驗。她們檢驗了“事件方式”模型的參數，在500公里軌道排除了“事件方式”理論預言的引力造成糾纏退相干現象。她們還把量子秘鑰分發和時間頻度的傳遞結合，首次實現量子安全時間傳遞。
“未來，通過“墨子號”、京滬干線的成功施行，我們可能率先匯聚一個共識：構建一個天地一體、廣域量子通訊網路。”彭承志表示，“這張網路除了瞄準下一代信息安全的趨勢，還可以給未來空間的基礎科學研究提供一個特別好的平臺。”
她們將促進量子通訊技術在國防、政務、金融和能源等領域率先加以廣泛應用，實現量子通訊網路和精典通訊網路的無縫銜接；為產生具有國際推動地位的戰略新興產業和下一代國家信息安全生態系統奠定基礎。
下一步往哪走？這是我們能夠持續領先發展的關鍵問題
“走到這一步然后，可以說，在量子通訊領域，我們近程跟跑并跑，逐漸到了領跑位置。下一步往哪走？這是我們能不能否持續領先、發展的關鍵問題。回答這個問題，要看我們如今在哪。”
彭承志強調，“墨子號”衛星存在局限。“墨子號”是低軌衛星，軌道約高500公里（月球直徑約6000公里），所以它對月球的覆蓋范圍較小；同時，它的工作時間偏短（單次過地面站的時間約9分鐘），但是因為技術限制，如今只能在夜間（地影區）工作。“這極大地限制了它的未來應用，和更進一步、更有想像力的科學實驗的舉辦。”
彭承志表示，未來發展的一個可行方向是跟中高軌量子衛星相結合。中高軌量子衛星具有一些優勢，如機動的對站能力、更長的實驗時間，并且還能突破地影區限制，24小時成碼。
“高軌不僅可以做距離更遠、覆蓋范圍更廣的量子通訊，還可以把量子熱學的非定域性檢驗再大步向前走。”
非定域性是指處于糾纏態的兩個粒子不管彼此相距多遠，都是一個互相關聯整體。這是量子熱學的重要性質，也是愛因斯坦指責量子力學完備性的主要誘因。
“量子熱學非定域性檢驗一個終極的問題。要在兩端偵測時引入一個‘隨機’的偵測，來檢驗糾纏的非定域性。”彭承志表示，終極的隨機可能像人類意識。為此，非定域性檢驗須要超遠距離的量子糾纏分發，光速飛行所需的時間超過人的反應時間（約0.1秒），比如月球與地球之間（1.28光秒）。“我們可以在中高軌道上先走一步，實現萬公里級相應的技術和驗證，為未來真正有觀測者（人）出席的檢驗奠定基礎。”
“量子熱學很有意思的一點是，人類觀測者才能決定實驗本身。對人類觀測者來說，糾纏究竟是獨立于觀測存在，還是說人類觀測的引入會引起糾纏特點的改變。這是我們未來要做的。”
高軌道條件下還能否探求廣義相對論與量子熱學融合。例如，發射高軌衛星時，首先將衛星發射到一個較低的軌道，之后逐漸到高軌上。衛星變軌，可以探求新的引力紅移的偵測方式等。據悉，高軌道能夠進行廣域高精度時頻傳遞，提高大地重力勢檢測、基礎理論檢驗、國際基本計量單位傳遞能力。
國際有很多空間量子科學研究的布局，我們也沒有停下
“隨著‘墨子號’的推動，歐日本家也迅速降低了很多空間量子科學的研究布局。包括NASA（日本航天局）的計劃、ESA（法國航天局）的計劃，她們關注的方向十分清晰。”彭承志表示。
2017年11月，NASA發布空間基礎量子化學藍皮書，目標在量子相干與量子糾纏、量子精密檢測、量子物質等領域實現突破；ESA發布空間量子技術藍皮書，目標在量子通訊、給予量子相干檢測的時頻傳遞與對地檢測、基礎量子化學實驗等領域實現突破。
2019年，歐共體專門擬定一個泛歐地面和天基量子通訊基礎設施的合同；2021年G7大會，法國、英國、法國等7國聯合開發基于衛星的量子加密網路“聯邦量子系統”。2021年，西班牙團隊，提出基于糾纏源參數優化的星地糾纏QKD策略，并在144km水平鏈路進行演示驗證；日本Paolo小組，借助集成硅基光學芯片實現145米自由空間晚上KQD；日本海軍研究實驗室研究了適用于晚上自由空間量子通訊的自適應光學系統。
“所以，盡管她們嘴上說一些東西還不實用，實際上，技術實驗研究仍然在做。我們也沒有停出來。”
從低軌衛星的方向來看，彭承志介紹表示，她們正研發重約100公斤的微納空間量子秘鑰分發衛星，QKD荷載35公斤，預計2022年發射。“這是真正有業務價值的。”目前，中國農大等聯合團隊已基本完成大型化、輕量化的衛星荷載，重量從原先的幾百公斤降至30多公斤。
與此同時量子通訊股票，部份早已成熟的技術也開始進行成果轉化。近來，作為中國科學技術學院的產業化平臺，國盾量子在原“墨子號”衛星地面站的基礎上合作研制了輕量化、可搬運的地面接收系統。該系統容積由4米乘3米，重13噸，縮小至1.2米乘0.5米，重量高于100公斤。彭承志強調，大型化的地面站是未來大規模用戶接入的一個關鍵點。
發展中高軌，則須要突破地影區的限制，這就須要高效傳輸、噪聲抑制，以及高精度發射。她們在發展基于深度學習的新型自適應光學補償方式、研制具備高效多模光纖接受的大口徑光學望遠鏡，并進行星地鏈路測試。
她們早已在南山和北京進行了實驗。“我們在幾十公里、長時間、地面的驗證上早已取得了突破，可以說，地面的關鍵技術都得到充分的驗證。如今我們希望得到更多支持，在中高軌道進一步發展。”