看看世界首颗量子卫星都能做些啥？

随着我国发射的世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”的顺利升空，中国将成为全球第一个实现卫星和地面之间量子通信的国家，我国将实现“天地一体化”量子通信网络的初步构建，这也将成为量子通信领域的中国最强音。

作为迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式，量子通信技术在金融、军事和政务等领域的应用前景得到了世界各国的广泛关注，美国、日本等国也启动了相关的研究计划。此次“墨子号”的发射，更巩固了我国在量子通信领域的世界领先地位。

作为全球首颗量子卫星其独特之处在哪里？“墨子号”都承担了哪些科学任务？量子卫星又是如何实现“针尖对麦芒”般的精准定位的？伴随着地面光纤量子通信网络“京沪干线”的建设完成，我国将初步建立起世界上首个广域量子通信体系，人类正在步入量子信息的崭新时代，“绝对安全”的信息传递将为社会进步注入新的发展能量，更多关于量子卫星的最新独家报道，我们邀请到了中国科学技术大学常务副校长、中科院量子科学实验卫星先导专项首席科学家潘建伟进行了专题访问。

独一无二的“量子卫星”

“墨子号”量子科学实验卫星是中科院空间科学先导专项首批4颗科学卫星之一，是继暗物质粒子探测卫星“悟空”、微重力返回式科学实验卫星“实践十号”之后的第三颗科学实验卫星，其主要任务是开展基于卫星平台的广域量子通信和量子力学基础原理检验。那么具体的科研任务有哪些？

潘建伟表示，此次“墨子号”量子实验卫星的主要科研任务有三个：首先，通过量子卫星实现卫星和地面的量子密钥分发，从而实现广域的量子保密通信。潘建伟解释，之所以需要通过发射卫星来建立天地之间的量子通信网络，是由于地面信号的传输主要以光纤为媒介，而光纤传输的过程中信号损失相当严重，实验表明光纤传输的量子通信信号在两百公里以后就几乎被吸收殆尽，如果人类想实现远距离的量子通信传输就必须建立多个安全可信的信号中继站，这无疑大大增加了信息泄露的几率。科学家们经过研究发现，光在穿透大气层的过程中能量损失仅为百分之二十，也就是说天地之间数千公里甚至上万公里的距离，光在其间传输的损耗要远远低于在地面光纤网络中传输的损耗。利用这一原理，人类利用空间中的量子卫星作为地面网络的中转站，可以将地面多个城市中建立起的城际量子通信网络连接起来，从而极大地提高量子通信的效率。其次，“墨子号”还承担着对量子力学本身的基本原理进行检验的实验任务。量子纠缠态是量子力学中的一个经典现象，即在多粒子量子系统中，一对具有量子纠缠态的粒子，即使相隔极远，当其中一个状态改变时，另一个状态也会即刻发生相应改变。这种现象称为“量子非定域性”，曾经被爱因斯坦等用来质疑量子力学理论的完备性，并引发了长期的争论和持续至今的各种检验。科学家们在地面上已在相距100公里的距离成功地验证了量子非定域性，但尚未做到严格无漏洞的终极检验。而量子卫星将把这个实验带到外层空间，将在国际上首次得以实现千公里量级的量子非定域性实验检验，对于人类加深对量子力学基础理论的认识具有重要的意义。第三，“墨子号”将连接中国和奥地利之间的量子通信网，以证明全球规模的量子通信网络设想是可行的。这也是我国在量子通信领域开展的第一个大型国际合作，潘建伟也表示，未来我国将与更多国家开展合作，共同推动量子通信领域的进步与发展。

潘建伟还介绍道，作为建设“天地一体化”通信网络的重要组成部分，“墨子号”量子卫星与普通卫星相比存在着巨大的差异。发射升空的量子卫星以及建设在地面的多个地面观测站，共同组成了前所未有的覆盖地面和空间的巨大实验网络。

图1 量子保密通信原理图

“针尖对麦芒”的精准定位

“墨子号”量子通信卫星作为天地一体化的空间中转站，其承担着发射和传输光信号的重要任务，如何保证距离地球表面数百公里的光信号能够顺利被地面光学天线接收，潘建伟形象化地解释道，这其中涉及到的关键性实验技术的难度就好比是“针尖对麦芒”一样。

潘建伟介绍说，由于卫星发射的光信号是极其微弱的单光子级别，在由空间向地面传输的过程中会受到许多因素的干扰，比如星光、灯光等都将成为干扰信号传输的背景噪声。此外，卫星的运动速度很快，地面的光学天线必须时刻紧跟卫星的“节奏”才有可能实现信号的准确接收。所以，在“墨子号”量子通信卫星的设计过程中，不仅要克服各种噪声的干扰保证信号源的稳定，同时还要实现与地面光学天线的准确对接。尽管是如同“针尖对麦芒”般苛刻的实验条件，但是在我国科学家的不懈努力下，如此困难的技术难题也依然得到了解决。

图2 量子通信卫星概念图

保密通信的“京沪干线”

被称为“京沪干线”的地面量子通信网络，是“天地一体化”量子通信网络的地面组成部分。对于“京沪干线”的建设原理，潘建伟解释道：在建设地面量子通信网络的工程中，主要的应用都集中在城市范围内，将城市之间的城域网连接起来实现城际量子通信非常关键。据介绍，目前的技术仅能够达到点对点百公里量级的量子通信，所以就需要通过建立可信任的中继站点来起到信息中转的作用，连接相距数百公里两个城市的量子通信网络。已经建立起来的北京、济南、合肥、上海四个量子通信城域网，将在可信中继的帮助下，通过光纤串联起来，构成量子通信的“京沪干线”。未来还将会在每个城市中建设光学天线接收卫星的信号，这样，随着“墨子号”的顺利升空，地面的“京沪干线”与空间的量子卫星共同构成了覆盖全球的广域网络，充分利用卫星覆盖的广域性和光纤入户的便利性，从而真正实现“天地一体化”的量子通信。

图3 广域量子通信网络示意图

开启量子通信新时代

随着量子卫星的发射升空和下半年“京沪干线”的完工，中国的广域量子通信体系为率先建成全球化的量子通信卫星网络奠定了基础，人类即将实现全球范围内卫星和地面间的首次量子通信。“天地一体化”的量子通信网络即将铺就，历经30余年的量子信息研究也将步入深化应用的时代。未来，量子通信不仅仅只是一种全新的加密通信手段，它将成为新一代信息网络安全解决方案的关键技术和日益普遍的电子服务的安全基石，成为保障未来信息社会可信行为的重要基础之一。也许就在不远的将来，量子通信技术将如同手机、电脑一般，走入寻常百姓家。

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