中國領跑量子通信太空競賽 水平躋身國際一流

寫在前面

這是一場人與自然的角力。

自上世紀末以來，人類對自然界的能量最小單位——量子的認知，開始突破瓶頸達到新的高度，催生了量子信息科學。量子信息研究以量子通信等領域為切入口，逐漸迎來了“全速發展期”。

而在此當中，很多個“世界首次”，均來自於“中國隊”。從首次成功實現量子態隱形傳送以及糾纏態交換，首次實現安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發，到建成國際上首個規模化量子通信網絡，中國科學家逐步躋身於國際一流的量子信息研究行列，量子通信的產業化也在中國科學家的全力推動下得到快速發展。

隨着量子科學實驗衞星“墨子號”的順利升空，中國成為全球第一個在衞星和地面之間進行量子通信實驗的國家。這場長跑競賽，不僅是各國科學家之間的創新之爭，更是人類有限的認知與無盡的自然奧秘之間的角力。

把量子實驗“搬”上太空

問：當大多數人滿足於在實驗台上研究量子信息時，您已經開始思考如何能夠在太空中實現信息的隱形傳送。為什麼一定要把量子實驗“搬”上太空？

答：突破經典信息技術的瓶頸，對於保護國家和公民的信息安全至關重要，對發展下一代信息產業也有着深遠影響。量子通信是迄今唯一被嚴格證明為無條件安全的通信方式。量子不可分割、不可克隆，所以能保證加密內容不被破譯。它可以從根本上保障信息安全、保護全人類的隱私。

不同於經典通信，量子保密通信的安全性是建立在量子物理基本原理的基礎上，從原理上講是無條件安全的。然而，由於光纖的固有損耗，在光纖中實現遠距離量子通信面臨着巨大的挑戰。在1000公里光纖中進行點對點量子通信，每300年也只能傳輸一個比特。因此，要實現覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要藉助衞星中轉。另一方面，衞星也為大尺度的量子物理基本問題實驗檢驗提供了天然的平台。

擔負多項科學實驗任務

問：“墨子號”量子科學實驗衞星主要的科研任務有哪些？

答：首先，通過量子衞星實現衞星和地面的量子密鑰分發，從而實現廣域的量子保密通信。光纖傳輸的過程中信號損失相當嚴重，如果人類想實現遠距離量子通信傳輸就必須建立多個安全可信的信號中繼站，這無疑大大增加了信息泄露的幾率。科學家經過研究發現，光在穿透大氣層的過程中能量損失僅為百分之二十，利用空間中的量子衞星作為地面網絡的中轉站，可以將地面多個城市中建立起的城際量子通信網絡連接起來，極大地提高量子通信的效率。

其次，“墨子號”還承擔着對量子力學本身的基本原理進行檢驗的實驗任務。量子糾纏態是量子力學中的一個經典現象，量子衞星把這個實驗帶到外層空間，將在國際上首次實現千公里量級的量子非定域性實驗檢驗，對於人類加深對量子力學基礎理論的認識具有重要意義。

第三，“墨子號”將連接中國和奧地利之間的量子通信網，以證明全球規模的量子通信網絡設想是可行的。作為建設“天地一體化”通信網絡的重要組成部分，“墨子號”量子衞星與普通衞星相比存在着巨大的差異。發射升空的量子衞星以及多個地面觀測站，共同組成了前所未有的覆蓋地面和空間的巨大實驗網絡。

“墨子號”如何實現精準定位

問：“墨子號”量子通信衞星如何保證距離地球表面數百公里的光信號能夠順利被地面光學天線接收？

答：作為天地一體化的空間中轉站，“墨子號”量子通信衞星承擔着發射和傳輸光信號的重要任務，要想保證距離地球表面數百公里的光信號能夠順利被地面光學天線接收，難度就好比是“針尖對麥芒”一樣。

由於衞星發射的光信號是極其微弱的單光子級別，在由空間向地面傳輸的過程中會受到許多因素的干擾，比如星光、燈光等都將成為干擾信號傳輸的背景噪聲。此外，衞星的運動速度很快，地面的光學天線必須時刻緊跟衞星的“節奏”才有可能實現信號的準確接收。所以，在“墨子號”量子通信衞星的設計過程中，不僅要克服各種噪聲的干擾保證信號源的穩定，同時還要實現與地面光學天線的準確對接。儘管是如同“針尖對麥芒”般苛刻的實驗條件，但是在我國科學家的不懈努力下，如此不可思議的技術難題也依然得到了解決。

構建廣域量子通信網絡

問：作為空間科學先導專項的科學實驗衞星之一，也是世界上首顆以量子科學實驗為目的的科學衞星，量子科學實驗衞星的研製發射將帶來怎樣的意義？

答：量子科學實驗衞星的發射成功，在國際上率先實現了高速星地量子通信。結合地面即將建成的“京滬幹線”千公里級廣域量子通信骨幹網絡，可以初步構建我國空地一體的廣域量子通信體系，為率先建成全球化的量子通信網絡奠定基礎。

一個天地一體的全球化量子通信基礎設施建成以後，能為未來的互聯網提供基於量子通信技術的安全保障，形成完整的量子通信產業鏈和下一代國家主權信息安全生態系統。

同時，量子科學實驗衞星的研製也將促進空間光通信、空間單光子探測、星地高精度時間同步等技術的發展，在量子通信技術實用化整體水平上保持和擴大國際領先地位，實現國家信息安全和信息技術水平跨越式提升。

從原始創新到成果轉化

問：您曾在接受媒體採訪時提到，科學家不僅要關注原始創新，也要鼓勵成果轉化。您認為在空間科學發展方面剛剛起步的中國，應該如何進一步推動我國空間科學發展與社會科技進步？

答：我國以往的空間計劃中，大多是為了應用的目的，以科學家為主導的、特別是以基礎研究為目的的項目尚未形成專門系列。基礎和應用從來都是相輔相成的，比如我們從事的量子信息研究，正是起源於對量子力學基本問題的研究，隨着量子調控技術的進步而產生了包括量子通信在內的量子信息科技;在推進量子通信技術的實用化過程中，產生了發射衞星的需求，使得我們進一步發展技術，而星地量子通信又為更加深入地檢驗量子力學的基本原理提供了平台;量子科學實驗衞星發射成功後，又可以推動空間光跟瞄、空間微弱光探測、空地高精度時間同步、小衞星平台高精度姿態機動、高速單光子探測等技術的發展，如此形成一個良性循環。