“空間量子科學(xué)領(lǐng)域在那些年得到了長足的發(fā)展，我們中國的貢獻(xiàn)起了關(guān)鍵性作用。非常是在2011年立項了‘墨子號’量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的發(fā)展之下，2016年成功發(fā)射了國際首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星。在這顆衛(wèi)星的幫助下，我們在國際上的科學(xué)實驗跨越十分大?！?月24日，中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院研究員彭承志在“2021量子信息技術(shù)學(xué)術(shù)交流會議”上進(jìn)行報告時表示。
彭承志介紹道，有了衛(wèi)星，能實現(xiàn)千公里級的量子通訊、地星量子隱型傳態(tài)、星地單向量子糾纏分發(fā)等?！翱臻g量子科學(xué)大有可為，有好多新的前沿讓我們探求?！?span style="display:none">yC3物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院研究員彭承志
彭承志是中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院研究員，博士生導(dǎo)師，同時兼任起源于中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院的世界首家量子科技上市公司——科大國盾量子技術(shù)股份有限公司（簡稱“國盾量子”，）監(jiān)事長。
中科大官網(wǎng)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(tǒng)光學(xué)技術(shù)進(jìn)行了融合和交叉研究，在實用化引誘態(tài)量子秘鑰分發(fā)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(xué)先導(dǎo)專項量子科學(xué)實驗衛(wèi)星即將立項，彭承志被委任為科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師和衛(wèi)星系統(tǒng)總工師。
從最初的簡單看法延展到空間量子科學(xué)實驗的大領(lǐng)域
量子具有“不可克隆定律”，就是說難以做到克?。◤?fù)制）一個量子態(tài)而對被克隆的量子態(tài)不形成影響。而任何未授權(quán)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(quán)用戶在后處理過程中會依據(jù)誤碼發(fā)覺有人監(jiān)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(xiàn)一些耗損?！爱?dāng)時業(yè)界基本覺得：光纖量子通訊的距離很難超過100或200公里?！迸沓兄颈硎尽?span style="display:none">yC3物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
“所以，作為一種通訊方法，或則一種秘鑰傳輸?shù)男问?，如何實現(xiàn)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(wèi)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(xiàn)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(xiàn)光源偵測和光量子態(tài)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(tài)，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(xué)非定域性檢驗，放在一個更廣的系統(tǒng)上。更進(jìn)一步，當(dāng)量子糾纏在重力場傳輸時，這就跟你們關(guān)注的前沿數(shù)學(xué)問題結(jié)合在一起：廣義相對論和量子熱學(xué)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(biāo)實驗。”
彭承志表示，這樣就從最早的遠(yuǎn)距離量子通訊問題，衍生出許多空間量子科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域。那些領(lǐng)域共同構(gòu)成整個空間量子科學(xué)實驗大領(lǐng)域。
彭承志介紹道，2016年成功發(fā)射“墨子號”衛(wèi)星，在衛(wèi)星幫助下，她們在國際上率先舉辦了系列空間量子科學(xué)實驗。她們實現(xiàn)了千公里級量子秘鑰分發(fā)，分發(fā)速度約1kbps，比同距離光纖增強20個數(shù)目級；還實現(xiàn)了千公里級地星量子隱型傳態(tài)，千公里級星地單向量子糾纏分發(fā)，以及空間尺度嚴(yán)格滿足“愛因斯坦”量子熱學(xué)的非定域性檢驗。
她們第一次借助量子衛(wèi)星在月球引力場中，對嘗試融合廣義相對論和量子熱學(xué)的模型進(jìn)行檢驗。她們檢驗了“事件方式”模型的參數(shù)，在500公里軌道排除了“事件方式”理論預(yù)言的引力造成糾纏退相干現(xiàn)象。她們還把量子秘鑰分發(fā)和時間頻度的傳遞結(jié)合，首次實現(xiàn)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(gòu)建一個天地一體、廣域量子通訊網(wǎng)路?！迸沓兄颈硎?，“這張網(wǎng)路除了瞄準(zhǔn)下一代信息安全的趨勢，還可以給未來空間的基礎(chǔ)科學(xué)研究提供一個特別好的平臺。”
她們將促進(jìn)量子通訊技術(shù)在國防、政務(wù)、金融和能源等領(lǐng)域率先加以廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)量子通訊網(wǎng)路和精典通訊網(wǎng)路的無縫銜接；為產(chǎn)生具有國際推動地位的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)和下一代國家信息安全生態(tài)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。
下一步往哪走？這是我們能夠持續(xù)領(lǐng)先發(fā)展的關(guān)鍵問題
“走到這一步然后，可以說，在量子通訊領(lǐng)域，我們近程跟跑并跑，逐漸到了領(lǐng)跑位置。下一步往哪走？這是我們能不能否持續(xù)領(lǐng)先、發(fā)展的關(guān)鍵問題?；卮疬@個問題，要看我們?nèi)缃裨谀??！?span style="display:none">yC3物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
彭承志強調(diào)，“墨子號”衛(wèi)星存在局限?！澳犹枴笔堑蛙壭l(wèi)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??；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(shù)限制，如今只能在夜間（地影區(qū)）工作?！斑@極大地限制了它的未來應(yīng)用，和更進(jìn)一步、更有想像力的科學(xué)實驗的舉辦?！?span style="display:none">yC3物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
彭承志表示，未來發(fā)展的一個可行方向是跟中高軌量子衛(wèi)星相結(jié)合。中高軌量子衛(wèi)星具有一些優(yōu)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(qū)限制，24小時成碼。
“高軌不僅可以做距離更遠(yuǎn)、覆蓋范圍更廣的量子通訊，還可以把量子熱學(xué)的非定域性檢驗再大步向前走?！?span style="display:none">yC3物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
非定域性是指處于糾纏態(tài)的兩個粒子不管彼此相距多遠(yuǎn)，都是一個互相關(guān)聯(lián)整體。這是量子熱學(xué)的重要性質(zhì)，也是愛因斯坦指責(zé)量子力學(xué)完備性的主要誘因。
“量子熱學(xué)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(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)，光速飛行所需的時間超過人的反應(yīng)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(xiàn)萬公里級相應(yīng)的技術(shù)和驗證，為未來真正有觀測者（人）出席的檢驗奠定基礎(chǔ)。”
“量子熱學(xué)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(xué)融合。例如，發(fā)射高軌衛(wèi)星時，首先將衛(wèi)星發(fā)射到一個較低的軌道，之后逐漸到高軌上。衛(wèi)星變軌，可以探求新的引力紅移的偵測方式等。據(jù)悉，高軌道能夠進(jìn)行廣域高精度時頻傳遞，提高大地重力勢檢測、基礎(chǔ)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(xué)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(xué)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(guān)注的方向十分清晰?！迸沓兄颈硎尽?span style="display:none">yC3物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
2017年11月，NASA發(fā)布空間基礎(chǔ)量子化學(xué)藍(lán)皮書，目標(biāo)在量子相干與量子糾纏、量子精密檢測、量子物質(zhì)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破；ESA發(fā)布空間量子技術(shù)藍(lán)皮書，目標(biāo)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(chǔ)量子化學(xué)實驗等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)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(chǔ)設(shè)施的合同；2021年G7大會，法國、英國、法國等7國聯(lián)合開發(fā)基于衛(wèi)星的量子加密網(wǎng)路“聯(lián)邦量子系統(tǒng)”。2021年，西班牙團隊，提出基于糾纏源參數(shù)優(yōu)化的星地糾纏QKD策略，并在144km水平鏈路進(jìn)行演示驗證；日本Paolo小組，借助集成硅基光學(xué)芯片實現(xiàn)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(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。
“所以，盡管她們嘴上說一些東西還不實用，實際上，技術(shù)實驗研究仍然在做。我們也沒有停出來。”
從低軌衛(wèi)星的方向來看，彭承志介紹表示，她們正研發(fā)重約100公斤的微納空間量子秘鑰分發(fā)衛(wèi)星，QKD荷載35公斤，預(yù)計2022年發(fā)射?！斑@是真正有業(yè)務(wù)價值的?！蹦壳?，中國農(nóng)大等聯(lián)合團隊已基本完成大型化、輕量化的衛(wèi)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(shù)也開始進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化。近來，作為中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院的產(chǎn)業(yè)化平臺，國盾量子在原“墨子號”衛(wèi)星地面站的基礎(chǔ)上合作研制了輕量化、可搬運的地面接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(diào)，大型化的地面站是未來大規(guī)模用戶接入的一個關(guān)鍵點。
發(fā)展中高軌，則須要突破地影區(qū)的限制，這就須要高效傳輸、噪聲抑制，以及高精度發(fā)射。她們在發(fā)展基于深度學(xué)習(xí)的新型自適應(yīng)光學(xué)補償方式、研制具備高效多模光纖接受的大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，并進(jìn)行星地鏈路測試。
她們早已在南山和北京進(jìn)行了實驗?！拔覀冊趲资?、長時間、地面的驗證上早已取得了突破，可以說，地面的關(guān)鍵技術(shù)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(jìn)一步發(fā)展。”