隨著我國發(fā)射的世界上首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”的順利升空，中國將成為全球第一個實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間量子通訊的國家，我國將實現(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(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、日本等國也啟動了相關(guān)的研究計劃。這次“墨子號”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)星其獨到之處在哪兒？“墨子號”都承當了什么科學(xué)任務(wù)？量子衛(wèi)星又是怎樣實現(xiàn)“針尖對麥芒”般的精準定位的？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(fā)展能量，更多關(guān)于量子衛(wèi)星的最新獨家報導(dǎo)，我們約請到了中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院常務(wù)副院長、中科院量子科學(xué)實驗衛(wèi)星先導(dǎo)專項首席科學(xué)家潘建偉進行了專題訪問。
獨一無二的“量子衛(wèi)星”
“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星是中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項首批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)實驗衛(wèi)星“實踐十號”之后的第三顆科學(xué)實驗衛(wèi)星，其主要任務(wù)是舉辦基于衛(wèi)星平臺的廣域量子通訊和量子熱學(xué)基礎(chǔ)原理檢驗。這么具體的科研任務(wù)有哪些？
潘建偉表示，這次“墨子號”量子實驗衛(wèi)星的主要科研任務(wù)有三個：首先，通過量子衛(wèi)星實現(xiàn)衛(wèi)星和地面的量子秘鑰分發(fā)，進而實現(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，是因為地面訊號的傳輸主要以光纖為媒介，而光纖傳輸?shù)倪^程中訊號損失相當嚴重，實驗表明光纖傳輸?shù)牧孔油ㄓ嵱嵦栐趦砂俟镏缶蛶缀醣晃沾M，假若人類想實現(xiàn)遠距離的量子通訊傳輸就必須構(gòu)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(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要遠遠高于在地面光纖網(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”還承當著對量子熱學(xué)本身的基本原理進行檢驗的實驗任務(wù)。量子糾纏態(tài)是量子熱學(xué)中的一個精典現(xiàn)象，即在多粒子量子系統(tǒng)中，一對具有量子糾纏態(tài)的粒子，雖然相隔極遠，當其中一個狀態(tài)改變時，另一個狀態(tài)也會即刻發(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。科學(xué)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(wèi)星將把這個實驗帶到內(nèi)層空間，將在國際上首次得以實現(xiàn)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(xué)基礎(chǔ)理論的認識具有重要的意義。第三，“墨子號”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(lǐng)域的進步與發(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”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(wǎng)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(wèi)星作為天地一體化的空間中轉(zhuǎn)站，其承當著發(fā)射和傳輸光訊號的重要任務(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)鍵性實驗技術(shù)的難度就好比是“針尖對麥芒”一樣。
潘建偉介紹說，因為衛(wèi)星發(fā)射的光訊號是非常微弱的單光子級別，在由空間向地面?zhèn)鬏數(shù)倪^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?shù)谋尘霸胍簟?jù)悉，衛(wèi)星的運動速率很快，地面的光學(xué)天線必須時刻緊隨衛(wèi)星的“節(jié)奏”才有可能實現(xiàn)訊號的確切接收。所以，在“墨子號”量子通訊衛(wèi)星的設(shè)計過程中，除了要克服各類噪音的干擾保證訊號源的穩(wěn)定，同時還要實現(xiàn)與地面光學(xué)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(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)僅才能達到點對點百公里量級的量子通訊，所以就須要通過構(gòu)建可信任的中繼站點來起到信息中轉(zhuǎn)的作用，聯(lián)接相距數(shù)百公里兩個城市的量子通訊網(wǎng)路。早已構(gòu)建上去的上海、濟南、合肥、上海四個量子通訊城域網(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”。未來還將會在每位城市中建設(shè)光學(xué)天線接收衛(wèi)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(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入推進應(yīng)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(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可信行為的重要基礎(chǔ)之一。其實就在不遠的將來，量子通訊技術(shù)將就像手機、電腦通常，走進尋常百姓家。