隨著我國發(fā)射的世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”的順利升空，中國將成為全球第一個(gè)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間量子通訊的國家，我國將實(shí)現(xiàn)“天地一體化”量子通訊網(wǎng)路的初步建立，這也將成為量子通訊領(lǐng)域的中國最強(qiáng)音。
作為迄今為止惟一被嚴(yán)格證明是無條件安全的通訊方法，量子通訊技術(shù)在金融、軍事和政務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景得到了世界各國的廣泛關(guān)注，德國、日本等國也啟動(dòng)了相關(guān)的研究計(jì)劃。這次“墨子號(hào)”的發(fā)射，更鞏固了我國在量子通訊領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。
作為全球首顆量子衛(wèi)星其獨(dú)到之處在哪兒？“墨子號(hào)”都承當(dāng)了什么科學(xué)任務(wù)？量子衛(wèi)星又是怎樣實(shí)現(xiàn)“針尖對(duì)麥芒”般的精準(zhǔn)定位的？伴隨著地面光纖量子通訊網(wǎng)路“京滬干線”的建設(shè)完成，我國將初步構(gòu)建起世界上首個(gè)廣域量子通訊體系，人類正在進(jìn)入量子信息的嶄新時(shí)代，“絕對(duì)安全”的信息傳遞將為社會(huì)進(jìn)步注入新的發(fā)展能量，更多關(guān)于量子衛(wèi)星的最新獨(dú)家報(bào)導(dǎo)，我們約請(qǐng)到了中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院常務(wù)副院長、中科院量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星先導(dǎo)專項(xiàng)首席科學(xué)家潘建偉進(jìn)行了專題訪問。
獨(dú)一無二的“量子衛(wèi)星”
“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)首批4顆科學(xué)衛(wèi)星之一，是繼暗物質(zhì)粒子偵測衛(wèi)星“悟空”、微重力返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“實(shí)踐十號(hào)”之后的第三顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，其主要任務(wù)是舉辦基于衛(wèi)星平臺(tái)的廣域量子通訊和量子熱學(xué)基礎(chǔ)原理檢驗(yàn)。這么具體的科研任務(wù)有哪些？
潘建偉表示，這次“墨子號(hào)”量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的主要科研任務(wù)有三個(gè)：首先，通過量子衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面的量子秘鑰分發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)廣域的量子保密通訊。潘建偉解釋，之所以須要通過發(fā)射衛(wèi)星來構(gòu)建天地之間的量子通訊網(wǎng)路，是因?yàn)榈孛嬗嵦?hào)的傳輸主要以光纖為媒介，而光纖傳輸?shù)倪^程中訊號(hào)損失相當(dāng)嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)表明光纖傳輸?shù)牧孔油ㄓ嵱嵦?hào)在兩百公里之后就幾乎被吸收殆盡，假若人類想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通訊傳輸就必須構(gòu)建多個(gè)安全可信的訊號(hào)中繼站，這無疑大大降低了信息泄漏的機(jī)率。科學(xué)家們經(jīng)過研究發(fā)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(shù)千公里甚至上萬公里的距離，光在其間傳輸?shù)暮膿p要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在地面光纖網(wǎng)路中傳輸?shù)暮膿p。借助這一原理，人類借助空間中的量子衛(wèi)星作為地面網(wǎng)路的中轉(zhuǎn)站，可以將地面多個(gè)城市中構(gòu)建起的城際量子通訊網(wǎng)路聯(lián)接上去，因而極大地提升量子通訊的效率。其次，“墨子號(hào)”還承當(dāng)著對(duì)量子熱學(xué)本身的基本原理進(jìn)行檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。量子糾纏態(tài)是量子熱學(xué)中的一個(gè)精典現(xiàn)象，即在多粒子量子系統(tǒng)中，一對(duì)具有量子糾纏態(tài)的粒子，雖然相隔極遠(yuǎn)，當(dāng)其中一個(gè)狀態(tài)改變時(shí)，另一個(gè)狀態(tài)也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)改變。這些現(xiàn)象稱為“量子非定域性”，以前被愛因斯坦等拿來指責(zé)量子熱學(xué)理論的完備性，并引起了常年的爭辯和持續(xù)至今的各類檢驗(yàn)。科學(xué)家們在地面上已在相距100公里的距離成功地驗(yàn)證了量子非定域性，但仍未做到嚴(yán)格無漏洞的終極檢驗(yàn)。而量子衛(wèi)星將把這個(gè)實(shí)驗(yàn)帶到內(nèi)層空間，將在國際上首次得以實(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)的量子非定域性實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，對(duì)于人類加深對(duì)量子熱學(xué)基礎(chǔ)理論的認(rèn)識(shí)具有重要的意義。第三，“墨子號(hào)”將聯(lián)接中國和俄羅斯之間的量子通訊網(wǎng)鍺與量子通訊，以證明全球規(guī)模的量子通訊網(wǎng)路構(gòu)想是可行的。這也是我國在量子通訊領(lǐng)域舉辦的第一個(gè)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(jìn)量子通訊領(lǐng)域的進(jìn)步與發(fā)展。
潘建偉還介紹道，作為建設(shè)“天地一體化”通信網(wǎng)路的重要組成部份，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星與普通衛(wèi)星相比存在著巨大的差別。發(fā)射升空的量子衛(wèi)星以及建設(shè)在地面的多個(gè)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(shí)驗(yàn)網(wǎng)路。
圖1量子保密通訊原理圖
“針尖對(duì)麥芒”的精準(zhǔn)定位
“墨子號(hào)”量子通訊衛(wèi)星作為天地一體化的空間中轉(zhuǎn)站，其承當(dāng)著發(fā)射和傳輸光訊號(hào)的重要任務(wù)，怎么保證距離月球表面數(shù)百公里的光訊號(hào)才能順利被地面光學(xué)天線接收，潘建偉形象化地解釋道，這其中涉及到的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)技術(shù)的難度就好比是“針尖對(duì)麥芒”一樣。
潘建偉介紹說，因?yàn)樾l(wèi)星發(fā)射的光訊號(hào)是非常微弱的單光子級(jí)別，在由空間向地面?zhèn)鬏數(shù)倪^程中會(huì)遭到許多誘因的干擾，例如星光、燈光等都將成為干擾訊號(hào)傳輸?shù)谋尘霸胍簟?jù)悉，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速率很快，地面的光學(xué)天線必須時(shí)刻緊隨衛(wèi)星的“節(jié)奏”才有可能實(shí)現(xiàn)訊號(hào)的確切接收。所以，在“墨子號(hào)”量子通訊衛(wèi)星的設(shè)計(jì)過程中，除了要克服各類噪音的干擾保證訊號(hào)源的穩(wěn)定，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)與地面光學(xué)天線的確切對(duì)接。雖然是就像“針尖對(duì)麥芒”般嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)條件鍺與量子通訊，并且在我國科學(xué)家的不懈努力下，這么困難的技術(shù)困局也仍然得到了解決。
圖2量子通訊衛(wèi)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(wǎng)路，是“天地一體化”量子通訊網(wǎng)路的地面組成部份。對(duì)于“京滬干線”的建設(shè)原理，潘建偉解釋道：在建設(shè)地面量子通訊網(wǎng)路的工程中，主要的應(yīng)用都集中在城市范圍內(nèi)，將城市之間的城域網(wǎng)聯(lián)接上去實(shí)現(xiàn)城際量子通訊十分關(guān)鍵。據(jù)介紹，目前的技術(shù)僅才能達(dá)到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)百公里量級(jí)的量子通訊，所以就須要通過構(gòu)建可信任的中繼站點(diǎn)來起到信息中轉(zhuǎn)的作用，聯(lián)接相距數(shù)百公里兩個(gè)城市的量子通訊網(wǎng)路。早已構(gòu)建上去的上海、濟(jì)南、合肥、上海四個(gè)量子通訊城域網(wǎng)，將在可信中繼的幫助下，通過光纖串聯(lián)上去，構(gòu)成量子通訊的“京滬干線”。未來還將會(huì)在每位城市中建設(shè)光學(xué)天線接收衛(wèi)星的訊號(hào)，這樣，隨著“墨子號(hào)”的順利升空，地面的“京滬干線”與空間的量子衛(wèi)星共同構(gòu)成了覆蓋全球的廣域網(wǎng)路，充分借助衛(wèi)星覆蓋的廣域性和光纖入戶的便利性，因而真正實(shí)現(xiàn)“天地一體化”的量子通訊。
圖3廣域量子通訊網(wǎng)路示意圖
開啟量子通訊新時(shí)代
隨著量子衛(wèi)星的發(fā)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(wèi)星網(wǎng)路奠定了基礎(chǔ)，人類正式實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)衛(wèi)星和地面間的首次量子通訊。“天地一體化”的量子通訊網(wǎng)路正式鋪就，歷經(jīng)30余年的量子信息研究也將進(jìn)入推進(jìn)應(yīng)用的時(shí)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(wǎng)路安全解決方案的關(guān)鍵技術(shù)和日漸普遍的電子服務(wù)的安全基石，成為保障未來信息社會(huì)可信行為的重要基礎(chǔ)之一。其實(shí)就在不遠(yuǎn)的將來，量子通訊技術(shù)將就像手機(jī)、電腦通常，走進(jìn)尋常百姓家。