Nature專訪潘建偉: 世界第一顆量子衛星成功發射 | 深度揭秘

雷鋒網(公眾號：雷鋒網)按：本文由知社學術圈原創編譯。

8月16日凌晨，中國量子衛星「墨子」在酒泉衛星發射中心成功發射。作為世界首顆量子科學實驗衛星，發射升空之後將會進行量子通信實驗。未來在軌運行的兩年時間裡，它將配合地面的五個臺站，進行大量工作，並將幫助我們建立一個極其安全的全球通信網絡。

中國空間量子衛星領軍人物，中國科學技術大學常務副校長潘建偉院士說，之所以起名墨子，因為墨子首先通過小孔成像實驗發現了光是直線傳播的，而且墨子也提出了某種意義上的粒子論。 「因此，光量子學實驗衛星用這位中國先賢命名，我認為是很妥帖的。」

潘院士是如何看待這一壯舉的呢？讓我們看看今年早些時候Nature對他的採訪。

潘建偉院士

| 衛星發射的前期準備情況如何？

我們總是保持著兩個念頭。首先的感覺就是「萬事俱備」，我們很開心也很興奮。然而，時不時我們會想：「可能項目不會成功。」

| 面臨著哪些技術難題？

衛星的飛行速度太快，繞地球一圈只需90分鐘。它還會遇到紊流等各種問題。所以單光子束會受到很大影響。另外我們還需要克服來自太陽、月亮的背景噪聲，以及來自地面城市的光噪聲。這些都比我們的單光子要強烈得多。

| 衛星的目標是什麼？

我們的首要任務是在衛星和北京地面站、衛星和維也納地面站之間建立量子密鑰分發 (通過光子的量子屬性進行編碼和共享的密鑰)。然後我們會看看以衛星為中繼設備，能否在北京和維也納之間建立量子密鑰。

第二步將進行1000公裡以上的遠距離糾纏分發。我們的技術可以在衛星上產生糾纏光子對。我們會將光子對中的一個光子發射到青海的德令哈站，另一個光子發射到雲南的麗江站或新疆的南山站。兩個地面站之間的距離約為1200公裡，以往的測試大約為100公裡。

| 是否質疑過，無論兩個粒子距離多遠都可以保持糾纏？

懷疑量子力學的人並不太多，但如果探索新的物理內容，就必須做到極致。從理論上講，量子糾纏能夠在任何距離間保持。但我們想看一看是否存在物理極限。人們會問，在經典世界和量子世界之間是否具有某種邊界，我們則希望構建某種宏觀系統，它可以為我們展示量子現象在這種環境下仍然可以存在。

將來，我們還計劃在地球和月球之間嘗試糾纏密鑰分發。我們希望通過嫦娥計劃將一顆量子衛星發射至地月系統中的引力穩定點 (拉格朗日點)。

| 糾纏和量子隱形傳態的關係是怎樣的？

位於西藏的阿里站則主要配合衛星一起參與第三項量子科學實驗——量子隱形傳態。我們將從阿里站將糾纏光子對中的一個光子發射至衛星。以阿里站的糾纏光子為中轉，第三個光子也將被傳送到太空中的那個粒子處。

（在中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心內的量子模擬實驗室，工作人員調試超冷原子光晶格平臺的雷射伺服系統）

量子衛星是一個基礎科學空間任務，中國於2015年12月發射的暗物質粒子探測器 (DAMPE) 也是。這是否意味著基礎研究衛星是中國的一個新趨勢？

是的，我和中科院的同事們都希望推動這一領域的發展。過去，中國只有兩個機構具備衛星發射能力：軍隊和工信部。所以科學家沒有途徑來發射科研用衛星。唯一的例外是我們與歐航局在2003年合作發射的雙星探測器，用於研究地球的磁暴。

| 中國科研衛星如今有什麼進展？

中科院的科研人員都非常努力地向政府表達了我們的需求：擁有發射科研衛星的途徑非常重要。2011年，中國設立了戰略性先導科技專項，這包括了暗物質粒子探測器和我們的量子衛星。這是很重要的一步。

太空衛星模擬資料圖

我認為中國的責任不光是為我們自己做些什麼——很多國家都已經登陸月球，並進行載人空間飛行——而是去探索一些未知的領域。

| 科學家們會參與中國的空間站計劃天宮嗎？

決定哪些項目可以進入空間站的判斷機制已經發生了很大變化。最初，軍方希望承擔這一職責，但最後這一工作落在了中科院的肩上。

我們將在空間站上設置一個量子實驗，這將給我們的研究帶來很多便利，因為我們可以不斷地對實驗進行升級 (不像量子衛星)。我們對於這種安排感到非常高興，我們只需要和中科院的領導交換意見，他們也是科學家，所以交流起來非常方便。

| 邁向量子網際網路的關鍵一步

我們知道，「墨子」將為我們創造一個超安全的通信網絡，理論上可以連結世界任何地方。當然，加拿大、日本、義大利和新加坡的科研團隊也計劃進行量子空間實驗。

中國科技大學物理學者陸朝陽是中國衛星支持團隊的一員，他表示：「可想而知，這將是一場競賽。」陸教授曾獲得知社學術圈2015年中國科技新銳人物特別貢獻獎。

陸朝陽教授，中國科學技術大學

飛行器重達640公斤，是中國空間科學衛星的最新成員。項目耗資1億美元，中國科學院和奧地利國家科學院為共同合作方。

量子通信極其安全，因為任何微小的幹擾都可以被發現。雙方共享的密鑰被編碼進極化的光子序列中，任何竊聽活動都會留下其痕跡。

目前，科研人員已經成功掌握距離長達300公裡的量子通信。光子穿越光纖，傳播會被散射或吸收。在保持光子脆弱的量子態時放大信號是極為困難的。因此，我國學者希望通過空間進行光子傳輸，在這種環境下將更為順暢，並能夠覆蓋更遠的距離。

衛星核心部位擁有一塊晶體，能夠產生一對對糾纏的光子，無論它們分開多遠，其屬性都保持糾纏。飛行器的首要任務就是向位於北京和維也納的地面工作站發射這樣的光子對，通過它們生成密鑰。

在未來兩年中，項目組計劃進行一個統計學測量，即驗證空間貝爾不等式從而證明糾纏可以存在於相隔1200公裡遠的粒子之間。儘管量子理論預測糾纏狀態可以在任意距離維持，但這個實驗將進一步證明。

研究人員還將嘗試量子隱形傳態，通過傳統方法傳輸信息，並將糾纏的光子對賦予其中，從而在新位置重建光子的量子態。

潘建偉院士演示實用化量子通信產品進行遠距離保密通話

奧地利國家科學院物理學家Anton Zeilinger表示，量子網際網路很可能要依靠衛星與地面工作站的結合，目前仍存在一些挑戰。比如科學家需要找到衛星之間直接相互交流的方法；需要從不同源頭產生糾纏光子的技術；需要提高數據傳輸效率，使單光子從每秒兆比特級提高到每秒千兆比特級。

最終，空間量子隱形傳態將使科研人員能夠利用來自衛星的光子形成一個分布式望遠鏡，以地球的大小為光圈，並提供巨大的解析度。NASA物理學家Paul Kwiat說 ：「你將不僅能觀察那些行星，理論上講，連放在木星衛星上的一塊車牌都能看到。」

Zeilinger還表示，中國量子衛星的試驗成功無疑將推動其他研究團隊的發展，科研經費也會更容易劃撥。

【參考資料】

1、China’s quantum space pioneer: We need to explore the unknown

2、Chinese satellite is one giant step for the quantum internet 新華社

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