「墨子號」量子衛星:太空最耀眼的「科學之星」

2020-11-22 電子發燒友

「墨子號」量子衛星：太空最耀眼的「科學之星」

科技日報 發表於 2020-11-13 10:31:16

9月20日，國際學術期刊《科學》在線發布了中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志、範靖雲等與合作者完成的一項成果——利用「墨子號」量子科學實驗衛星對一類預言引力場導致量子退相干的理論模型進行了實驗檢驗。這是國際上首次利用量子衛星在地球引力場中對嘗試結合量子力學與廣義相對論的理論進行實驗檢驗，將極大地推動相關物理學基礎理論和實驗研究。

圓滿實現三大科學目標，還將超期工作年

「墨子號」量子科學實驗衛星於2016年8月16日在酒泉衛星發射中心成功發射，2017年1月18日正式開展科學實驗。

「『墨子號』量子衛星圓滿實現預定的全部三大科學目標，為我國在未來繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。」中國科學技術大學潘建偉教授告訴科技日報記者。

由於量子不可克隆原理，量子通信的信號不能像經典通信那樣被放大，又由於光纖信道的固有衰減，量子通信的距離受到很大限制。利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點，通過衛星輔助可以大大擴展量子通信距離。

星地高速量子密鑰分發是「墨子號」量子衛星的科學目標之一。「墨子號」量子衛星與河北興隆地面光學站建立了光鏈路，在1200公裡通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數量級（萬億億倍）。

實現地星量子隱形傳態是「墨子號」量子衛星的又一科學目標。量子隱形傳態可利用量子糾纏將粒子的未知量子態精確傳送到遙遠地點，而不用傳送粒子本身。「墨子號」量子隱形傳態實驗採用地面發射糾纏光子、天上接收的方式。實驗通信距離從500公裡到1400公裡，所有6個待傳送態均以大於99.7%的置信度超越經典極限。

量子糾纏被愛因斯坦稱之為「鬼魅般的超距作用」，也是量子力學最神奇的現象之一。這種「鬼魅般的超距作用」在更遠的距離上是否仍然存在？會不會受到引力等其他因素的影響？作為衛星的三大科學實驗任務之一，「墨子號」量子衛星在國際上首次在空間尺度上開展了量子糾纏分發實驗。

2020年6月15日，「墨子號」量子科學實驗衛星在國際上首次實現千公裡級基於糾纏的量子密鑰分發，將以往地面無中繼量子保密通信的空間距離提高了一個數量級。

據悉，「墨子號」量子科學實驗衛星預計將超出預期壽命、繼續工作2年以上，並展開更多國際合作。

太空最耀眼的「科學之星」

「墨子號」量子科學實驗衛星取得的一系列科學實驗成果，在獲得國際上盛大讚譽與好評的同時，也開啟了全球化量子通信時代之門。

星地量子密鑰分發的實現，為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了可靠的技術基礎。以此為基礎，將衛星作為可信中繼，可實現地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發範圍擴展到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網互聯，可以構建覆蓋全球的天地一體化保密通信網絡。

星地量子糾纏分發和地星量子隱形傳態的實現，使人們可以利用量子糾纏所建立起的量子信道，構建起量子信息處理網絡的基本單元，同時也為未來開展大尺度量子網絡和量子通信實驗研究，以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的實驗檢驗奠定了可靠的技術基礎。

而在「墨子號」三大預定科學實驗任務完成之後，2018年初，通過與奧地利科學院的國際合作，「墨子號」量子衛星首次實現了北京和維也納之間相距約7600公裡的洲際量子保密通信。這一成果也被美國物理學會評選為2018年度國際物理學十大進展之一。

2018年，素有著諾貝爾獎風向標之稱的「沃爾夫物理學獎」在獲獎者介紹中專門提到：「量子密鑰分發已經成功實現商業化，在光纖中已經能做到幾百公裡，用衛星可以做到上千公裡」。而這兩個紀錄正是潘建偉團隊創造的，一個是光纖量子密鑰分發最遠安全距離做到404公裡，另一個就是「墨子號」做到的星地1200公裡，這是中國科學家的貢獻，也是中國量子通信領先世界的標誌。

2019年1月31日，美國科學促進會（AAAS）宣布，「墨子號」量子科學實驗衛星科研團隊被授予2018年度克利夫蘭獎。這是美國科學促進會設立克利夫蘭獎九十餘年來，中國科學家在本土完成的科研成果首次獲得這一重要榮譽。

迄今，「墨子號」研究團隊已在《自然》及《科學》雜誌發表了5篇研究論文，國際權威期刊《自然》雜誌曾評價：「墨子號」量子衛星研究成果標誌著中國在量子通信領域的崛起，從10年前不起眼的國家發展為現在的世界勁旅，將領先於歐洲和北美。

責任編輯：lq

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