【經濟日報】量子星辰照亮地球

今年五月，在新疆烏魯木齊南山，「墨子號」量子科學實驗衛星過境。（合成照片）

潘建偉院士介紹「墨子號」衛星已取得的科研成果。記者佘惠敏攝

　　8月10日凌晨，我國科學家潘建偉院士領導的中科院聯合團隊關於量子衛星「墨子號」的兩篇科研論文同時在線發表在國際權威學術期刊《自然》雜誌上，內容分別是「墨子號」在國際上首次成功實現從衛星到地面的量子密鑰分發，以及從地面到衛星的量子隱形傳態。潘建偉團隊今年6月已發布在《科學》雜誌的一篇論文宣布，「墨子號」成功實現了千公裡級星地雙向量子糾纏分發及大尺度量子非定域性檢驗。

　　中國科學院院士、中國科學技術大學教授、量子科學實驗衛星首席科學家潘建偉宣布：至此，「墨子號」已圓滿實現預先設定的全部三大科學目標。

　　這些科學目標的實現有何意義？量子衛星的下一階段目標是什麼？我國空間科學還將瞄準哪些前沿去發力？請看經濟日報·中國經濟網記者採寫回來的報導。

　　量子通信：天文高度的領跑

　　在最近發表的這些實驗中，量子技術已經突破了天空的限制，為我國在國際上搶佔了量子科技創新制高點，成為國際同行的標杆

　　「這兩篇論文的發表，意味著潘建偉教授和他的研究團隊順利完成了3項量子實驗的展示，這些實驗將會是全球任何基於空間量子網絡的核心組成部分。」《自然》雜誌的物理科學主編卡爾·齊姆勒斯介紹，在第一篇論文中，研究團隊用相互糾纏的光子安全傳送了至關重要的量子密鑰，而量子密鑰是保障通訊極高保密性的關鍵。在第二個實驗中，研究團隊展示了如何用處於糾纏態的光子來實現量子力學中最著名卻神秘莫測的方面——量子隱形傳態。研究團隊通過量子隱形傳態，遠距離將一個位於地球或太空的物體的量子態信息傳送給另一個在地球或太空的物體，而物體本身卻不需要移動。

　　「以前人們會說量子技術的極限在天邊，但這說法其實有些保守了。在最近發表的這些實驗中，量子技術已經突破了天空的限制，這也是中國在物理科學方面投資及努力的證明。正因為有了這些投資與努力，該研究團隊才能夠將應用型量子通信技術研究提升到如此的天文高度。」卡爾·齊姆勒斯盛讚了中國研究團隊在空間量子技術方面的成績。

　　本次發布的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。實驗採用衛星發射量子信號，地面接收的方式。「墨子號」量子衛星過境時，與河北興隆地面光學站建立光鏈路，通信距離從645公裡到1200公裡。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）。衛星上平均每秒發送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300kbit的安全密鑰，平均成碼率可達1.1kbps。這一重要成果為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了可靠技術基礎。

　　本次發布的地星量子隱形傳態是「墨子號」量子衛星的另一科學目標。量子隱形傳態採用地面發射糾纏光子、天上接收的方式，「墨子號」量子衛星過境時，與海拔5100米的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產生8000個量子隱形傳態事例，地面向衛星發射糾纏光子，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。假設在同樣長度的光纖中重複這一工作，需要3800億年（宇宙年齡的20倍）才能觀測到1個事例。這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網絡研究，以及空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎。

　　2016年8月16日發射升空的「墨子號」量子衛星，是由我國完全自主研製的世界上第一顆空間量子科學實驗衛星。該衛星從科學概念的提出到關鍵技術突破，從工程組織實施到科學成果產出，均由我國科學家主導完成。

　　現在，「墨子號」量子衛星提前、圓滿地完成了預先設定的全部3大科學目標，標誌著我國在量子通信領域的研究在國際上達到全面領先的優勢地位。「墨子號」也開啟了全球化量子通信、空間量子物理學和量子引力實驗檢驗的大門，為我國在國際上搶佔了量子科技創新制高點，成為國際同行的標杆，實現了向「領跑者」的轉變。

　　千年夢想：不被破解的密碼

　　與經典通信不同，量子密鑰分發通過量子態的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式

　　「不被破解的加密技術，是人類的千年夢想。而所有依賴於計算複雜度的傳統加密算法原則上都會被破解。」談起發射量子衛星的科學設想源起，潘建偉這樣感嘆。

　　確實，在現代社會，信息安全面臨的問題越來越嚴重。RSA 512密碼1999年被破解；RSA 768密碼2009年被破解；標準密碼「配對密碼」在2012年被破解；廣泛應用於文件數字證書中的SHA-1算法2017年2月被谷歌破解。

　　人們懷疑，以人類的才智無法構造人類自身不可破解的密碼。而量子力學的百年積累，卻為信息安全做好了準備。

　　量子是構成物質的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可分割。量子的各種態不能精確測量，也不能被精確複製。量子不可克隆和不可分割的特性，使得量子通信一旦被竊聽就必然被發現。

　　與經典通信不同，量子密鑰分發通過量子態的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。量子通信的另一重要內容是量子隱形傳態，它利用量子糾纏可以將物質的未知量子態精確傳送到遙遠地點，而不用傳送物質本身。遠距離量子隱形傳態是實現分布式量子信息處理網絡的基本單元。

　　量子通信通常採用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離增加而指數增加。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，這使得之前量子通信的世界紀錄為百公裡量級。根據數據測算，通過1200公裡的光纖，即使有每秒百億發射率的單光子源和完美的探測器，也需要數百萬年才能建立一個比特的密鑰。

　　因此，要實現安全、長距離、可實用化的量子通信，就必須利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點，通過衛星輔助大大擴展量子通信的距離。同時，衛星具有方便覆蓋整個地球的獨特優勢，因而成為在全球尺度上實現超遠距離實用化量子密碼和量子隱形傳態最有希望的途徑。

　　2003年，潘建偉團隊提出了利用衛星實現星地間量子通信、構建覆蓋全球量子保密通信網的方案，隨後於2004年在國際上首次實現了水平距離13公裡（大於大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發，驗證了穿過大氣層進行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰略性先導科技專項「量子科學實驗衛星」正式立項。2012年，潘建偉領銜的中科院聯合研究團隊在青海湖實現了首個百公裡的雙向量子糾纏分發和量子隱形傳態，充分驗證了利用衛星實現量子通信的可行性。2013年，研究團隊在青海湖實現了模擬星地相對運動和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發實驗，全方位驗證了衛星到地面的量子密鑰分發的可行性。之後，該團隊經過艱苦攻關，克服種種困難，最終成功研製了「墨子號」量子科學實驗衛星。

　　現在，「墨子號」既實現了千公裡級的星地高速量子密鑰分發，又實現了遠距離地星量子隱形傳態，意味著「不被破解的加密技術」這個人類千年夢想，已經有了成為現實的科技基礎。

　　空間科學：群星閃耀的未來

　　在「墨子號」隨後的一年多設計壽命裡，量子通信實驗將開展洲際合作，並將實現量子通信與經典光通信相融合的安全信息傳輸，還希望實現基於糾纏的遠距離量子密鑰分發

　　「墨子號」量子衛星的設計壽命為兩年，現在一年不到就已完成全部科學目標，剩下的一年多時間，它還將瞄準哪些新目標呢？

　　首先，量子通信實驗將開展洲際合作。潘建偉透露，目前科研團隊正與歐洲量子通信團隊合作進行洲際量子密鑰分發，已順利完成與奧地利格拉茨地面站的對接測試，正在開展量子密鑰分發實驗，「墨子號」即將具備洲際量子保密通話的條件。與德國和義大利等國的洲際量子密鑰分發合作也正在計劃中。

　　其次，將實現量子通信與經典光通信相融合的安全信息傳輸。通過量子手段傳遞的並不是信息本身，而是密鑰；信息還是通過經典的雷射通信手段傳播。下一步目標，是實現二者的融合傳輸，讓量子通信與經典通信網絡實現無縫連結。

　　潘建偉還希望實現基於糾纏的遠距離量子密鑰分發。這一目標實現後，即使「墨子號」衛星被別國捕獲控制，只要量子糾纏能夠產生，我國科學家還是能夠通過「墨子號」進行安全的量子密鑰分發。

　　此外，科學家們並不滿足於「墨子號」這一顆量子衛星，他們希望發射更多的量子衛星，通過衛星組網，實現高效的全天時、全球化量子通信。「單顆低軌衛星無法直接覆蓋全球，目前只能在地影區工作。」潘建偉表示，希望通過多顆量子衛星組成的量子星座，配合地面的光纖網絡，構建完整的空地一體廣域量子通信網絡體系，把量子密鑰分送到千家萬戶。

　　量子通信技術蓬勃發展，未來有望在國防、政務、金融和能源等領域加以廣泛應用，形成具有國際引領地位的戰略性新興產業和下一代國家信息安全生態系統。

　　「墨子號」並不是一枝獨秀的獨苗，它是中科院空間科學先導專項在「十二五」期間支持的4顆科學衛星之一。除「墨子號」外，其他3顆科學衛星均已成功發射——「悟空號」暗物質粒子探測衛星、實踐十號返回式科學實驗衛星、「慧眼號」硬X射線調製望遠鏡衛星均獲得了大量科學數據，相關科學成果還將陸續發布。

　　中國科學院院長白春禮院士透露，未來，還將有更多中國發射的科學衛星在太空閃耀。中科院已在空間科學先導專項中對「十三五」「十四五」期間的科學衛星進行安排和部署，將聚焦於宇宙的起源、黑洞、引力波、系外行星探測、太陽系資源勘探、太陽爆發機理、地球空間爆及其粒子逃逸、水循環和全球變化的關係等當前國際重大基礎科學前沿。其中，中科院與歐洲航天局聯合支持的太陽風—磁層相互作用全景成像衛星（SMILE）已經立項實施，愛因斯坦探針衛星（EP）、先進天基太陽天文臺衛星（ASO-S）已經啟動立項綜合論證。

　　我們期待著，在不久的將來，群星閃耀的中國科學衛星，將為我國早日建成世界科技強國作出重要和不可替代的貢獻。

　　（原載於《經濟日報》 2017-08-11 01版）