中国领跑量子太空竞赛

　　——对话量子科学实验卫星首席科学家潘建伟

　　写在前面

　　这是一场人与自然的角力。

　　自上世纪末以来，人类对自然界的能量最小单位——量子的认知，开始突破瓶颈达到新的高度，atv，催生了量子信息科学。量子信息研究以量子通信等领域为切入口，逐渐迎来了“全速发展期”。

　　而在此当中，很多个“世界首次”，均来自于“中国队”。从首次成功实现量子态隐形传送以及纠缠态交换，首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发，到建成国际上首个规模化量子通信网络，中国科学家逐步跻身于国际一流的量子信息研究行列，量子通信的产业化也在中国科学家的全力推动下得到快速发展。

　　随着量子科学实验卫星“墨子号”的顺利升空，中国成为全球第一个在卫星和地面之间进行量子通信实验的国家。这场长跑竞赛，atv，不仅是各国科学家之间的创新之争，更是人类有限的认知与无尽的自然奥秘之间的角力。

量子通信利用微观世界的最小单元，实现了信息永远不会被破解的奇迹。

    把量子实验“搬”上太空

    问：当大多数人满足于在实验台上研究量子信息时，您已经开始思考如何能够在太空中实现信息的隐形传送。为什么一定要把量子实验“搬”上太空？

    答：突破经典信息技术的瓶颈，对于保护国家和公民的信息安全至关重要，对发展下一代信息产业也有着深远影响。量子通信是迄今唯一被严格证明为无条件安全的通信方式。量子不可分割、不可克隆，所以能保证加密内容不被破译。它可以从根本上保障信息安全、保护全人类的隐私。

    不同于经典通信，量子保密通信的安全性是建立在量子物理基本原理的基础上，从原理上讲是无条件安全的。然而，由于光纤的固有损耗，在光纤中实现远距离量子通信面临着巨大的挑战。在1000公里光纤中进行点对点量子通信，每300年也只能传输一个比特。因此，要实现覆盖全球的广域量子保密通信，还需要借助卫星中转。另一方面，卫星也为大尺度的量子物理基本问题实验检验提供了天然的平台。

    担负多项科学实验任务

    问：“墨子号”量子科学实验卫星主要的科研任务有哪些？

    答：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。光纤传输的过程中信号损失相当严重，如果人类想实现远距离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，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，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，量子卫星把这个实验带到外层空间，将在国际上首次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。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。

    “墨子号”如何实现精准定位

    问：“墨子号”量子通信卫星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？

    答：作为天地一体化的空间中转站，“墨子号”量子通信卫星承担着发射和传输光信号的重要任务，要想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，难度就好比是“针尖对麦芒”一样。

    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，如此不可思议的技术难题也依然得到了解决。

    构建广域量子通信网络