隨著我國發射的世界上首顆量子科學實驗衛星“墨子號”的順利升空，中國將成為全球第一個實現衛星和地面之間量子通訊的國家，我國將實現“天地一體化”量子通訊網路的初步建立，這也將成為量子通訊領域的中國最強音。
作為迄今為止惟一被嚴格證明是無條件安全的通訊方法，量子通訊技術在金融、軍事和政務等領域的應用前景得到了世界各國的廣泛關注，德國、日本等國也啟動了相關的研究計劃。這次“墨子號”的發射，更鞏固了我國在量子通訊領域的世界領先地位。
作為全球首顆量子衛星其獨到之處在哪兒？“墨子號”都承當了什么科學任務？量子衛星又是怎樣實現“針尖對麥芒”般的精準定位的？伴隨著地面光纖量子通訊網路“京滬干線”的建設完成，我國將初步構建起世界上首個廣域量子通訊體系，人類正在進入量子信息的嶄新時代，“絕對安全”的信息傳遞將為社會進步注入新的發展能量，更多關于量子衛星的最新獨家報導，我們約請到了中國科學技術學院常務副院長、中科院量子科學實驗衛星先導專項首席科學家潘建偉進行了專題訪問。
獨一無二的“量子衛星”
“墨子號”量子科學實驗衛星是中科院空間科學先導專項首批4顆科學衛星之一，是繼暗物質粒子偵測衛星“悟空”、微重力返回式科學實驗衛星“實踐十號”之后的第三顆科學實驗衛星，其主要任務是舉辦基于衛星平臺的廣域量子通訊和量子熱學基礎原理檢驗。這么具體的科研任務有哪些？
潘建偉表示，這次“墨子號”量子實驗衛星的主要科研任務有三個：首先，通過量子衛星實現衛星和地面的量子秘鑰分發，進而實現廣域的量子保密通訊。潘建偉解釋，之所以須要通過發射衛星來構建天地之間的量子通訊網路，是因為地面訊號的傳輸主要以光纖為媒介，而光纖傳輸的過程中訊號損失相當嚴重，實驗表明光纖傳輸的量子通訊訊號在兩百公里之后就幾乎被吸收殆盡，假若人類想實現遠距離的量子通訊傳輸就必須構建多個安全可信的訊號中繼站，這無疑大大降低了信息泄漏的機率。科學家們經過研究發覺，光在穿透大氣層的過程中能量損失僅為百分之二十，也就是說天地之間數千公里甚至上萬公里的距離，光在其間傳輸的耗損要遠遠高于在地面光纖網路中傳輸的耗損。借助這一原理，人類借助空間中的量子衛星作為地面網路的中轉站，可以將地面多個城市中構建起的城際量子通訊網路聯接上去，因而極大地提升量子通訊的效率。其次，“墨子號”還承當著對量子熱學本身的基本原理進行檢驗的實驗任務。量子糾纏態是量子熱學中的一個精典現象，即在多粒子量子系統中，一對具有量子糾纏態的粒子，雖然相隔極遠，當其中一個狀態改變時，另一個狀態也會即刻發生相應改變。這些現象稱為“量子非定域性”，以前被愛因斯坦等拿來指責量子熱學理論的完備性，并引起了常年的爭辯和持續至今的各類檢驗?？茖W家們在地面上已在相距100公里的距離成功地驗證了量子非定域性，但仍未做到嚴格無漏洞的終極檢驗。而量子衛星將把這個實驗帶到內層空間，將在國際上首次得以實現千公里量級的量子非定域性實驗檢驗，對于人類加深對量子熱學基礎理論的認識具有重要的意義。第三，“墨子號”將聯接中國和俄羅斯之間的量子通訊網鍺與量子通訊，以證明全球規模的量子通訊網路構想是可行的。這也是我國在量子通訊領域舉辦的第一個小型國際合作，潘建偉也表示，未來我國將與更多國家舉辦合作，共同促進量子通訊領域的進步與發展。
潘建偉還介紹道，作為建設“天地一體化”通信網路的重要組成部份，“墨子號”量子衛星與普通衛星相比存在著巨大的差別。發射升空的量子衛星以及建設在地面的多個地面觀測站，共同組成了前所未有的覆蓋地面和空間的巨大實驗網路。
圖1量子保密通訊原理圖
“針尖對麥芒”的精準定位
“墨子號”量子通訊衛星作為天地一體化的空間中轉站，其承當著發射和傳輸光訊號的重要任務，怎么保證距離月球表面數百公里的光訊號才能順利被地面光學天線接收，潘建偉形象化地解釋道，這其中涉及到的關鍵性實驗技術的難度就好比是“針尖對麥芒”一樣。
潘建偉介紹說，因為衛星發射的光訊號是非常微弱的單光子級別，在由空間向地面傳輸的過程中會遭到許多誘因的干擾，例如星光、燈光等都將成為干擾訊號傳輸的背景噪音。據悉，衛星的運動速率很快，地面的光學天線必須時刻緊隨衛星的“節奏”才有可能實現訊號的確切接收。所以，在“墨子號”量子通訊衛星的設計過程中，除了要克服各類噪音的干擾保證訊號源的穩定，同時還要實現與地面光學天線的確切對接。雖然是就像“針尖對麥芒”般嚴苛的實驗條件鍺與量子通訊，并且在我國科學家的不懈努力下，這么困難的技術困局也仍然得到了解決。
圖2量子通訊衛星概念圖
保密通訊的“京滬干線”
被稱為“京滬干線”的地面量子通訊網路，是“天地一體化”量子通訊網路的地面組成部份。對于“京滬干線”的建設原理，潘建偉解釋道：在建設地面量子通訊網路的工程中，主要的應用都集中在城市范圍內，將城市之間的城域網聯接上去實現城際量子通訊十分關鍵。據介紹，目前的技術僅才能達到點對點百公里量級的量子通訊，所以就須要通過構建可信任的中繼站點來起到信息中轉的作用，聯接相距數百公里兩個城市的量子通訊網路。早已構建上去的上海、濟南、合肥、上海四個量子通訊城域網，將在可信中繼的幫助下，通過光纖串聯上去，構成量子通訊的“京滬干線”。未來還將會在每位城市中建設光學天線接收衛星的訊號，這樣，隨著“墨子號”的順利升空，地面的“京滬干線”與空間的量子衛星共同構成了覆蓋全球的廣域網路，充分借助衛星覆蓋的廣域性和光纖入戶的便利性，因而真正實現“天地一體化”的量子通訊。
圖3廣域量子通訊網路示意圖
開啟量子通訊新時代
隨著量子衛星的發射升空和下半年“京滬干線”的竣工，中國的廣域量子通訊體系為率先建成全球化的量子通訊衛星網路奠定了基礎，人類正式實現全球范圍內衛星和地面間的首次量子通訊?！疤斓匾惑w化”的量子通訊網路正式鋪就，歷經30余年的量子信息研究也將進入推進應用的時代。未來，量子通訊不僅僅只是一種全新的加密通訊手段，它將成為新一代信息網路安全解決方案的關鍵技術和日漸普遍的電子服務的安全基石，成為保障未來信息社會可信行為的重要基礎之一。其實就在不遠的將來，量子通訊技術將就像手機、電腦通常，走進尋常百姓家。