“墨子號”何以激起空間量子科學熱潮

日前，中國科學技術大學潘建偉及其同事彭承志、陸朝陽、曹原應邀在國際物理學權威綜述期刊《現代物理評論》上發表長篇綜述論文《基於“墨子號”衞星的空間量子實驗》。

據瞭解，由於在遠距離量子通信特別是“墨子號”量子衞星方面所取得的一系列具有開創性意義的工作，潘建偉等受邀為《現代物理評論》撰寫的這篇46頁的綜述論文，全面介紹了國際空間量子科學研究近20年來取得的成就，重點闡述了“墨子號”量子科學實驗衞星從前期關鍵技術攻關，包括衞星系統、科學應用系統等六大系統的量子科學實驗衞星的建設和研製，到衞星在軌運行後所取得的系統性科研成果，為國際學術界提供了寶貴的資料。

《現代物理評論》是國際物理學界最權威的綜述性期刊，每年僅發表約40篇學術論文。該期刊一般不接受自由投稿，主要是邀請在各領域卓有建樹的物理學家執筆，旨在對當今物理研究的重大熱點問題做歷史總結、原理闡述、現狀分析和趨向預測。此論文是潘建偉團隊繼2012年的《多光子糾纏和干涉度量學》以及2020年的《基於現實器件的安全量子密鑰分發》之後在該期刊上的第3篇綜述論文。

“墨子號”的橫空出世

量子通信基於量子物理學的基本原理，克服了經典加密技術內在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式，可以從根本上解決國防、金融、政務、商業等領域的信息安全問題。量子通信通常採用單光子作為物理載體，最為直接的傳輸方式是光纖或者近地面自由空間信道。但是，這兩種信道的損耗都會隨着距離的增加而指數式增加，近地大氣信道還會受到地球曲率的影響。

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只有百公里量級。因此，如何實現安全、長距離、可實用化的量子通信是該領域的最大挑戰和國際學術界幾十年來奮鬥的共同目標。

由於外太空幾乎真空，對於光信號的吸收損耗幾乎為零，因此通過衞星的輔助可以極大擴展量子通信距離。本世紀初以來，該方向已成為國際學術界激烈角逐的焦點。潘建偉團隊為實現星地量子通信開展了一系列先驅性的實驗研究。2003年，該團隊提出了利用衞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公里（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“量子科學實驗衞星”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里的雙向量子糾纏分發和量子隱形傳態，充分驗證了利用衞星實現量子通信的可行性。

2013年，中科院聯合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，全方位驗證了衞星到地面的量子密鑰分發的可行性。隨後，該團隊經過艱苦攻關，最終成功研製了“墨子號”量子科學實驗衞星。“墨子號”衞星於2016年8月16日在酒泉衞星發射中心發射升空，經過4個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學實驗。

我國首次在空間科學研究領域走到世界最前列

近年來，潘建偉團隊利用“墨子號”量子衞星在國際上率先完成了一系列具有開創意義的星地量子科學實驗。

這些實驗包括：完成了星地量子密鑰分發、北京到維也納的洲際量子密鑰分發、基於糾纏的無須可信中繼量子密鑰分發，並進一步在量子保密通信京滬幹線與“墨子號”量子衞星之間成功實現了對接，驗證了星地廣域量子通信的可行性；實現了星地雙向量子糾纏分發實驗，觀察到了星地間千公里距離的嚴格滿足愛因斯坦定域性條件的貝爾不等式的破缺，驗證了空間尺度量子糾纏的存在和量子力學基本原理的正確性；完成了首個地星量子隱形傳態以及星地量子態遠程傳輸，證明了在地星千公里距離上能夠完成量子比特的傳輸，為全球化量子信息處理網絡奠定了基礎；在完成了廣域量子通信和量子力學基本問題檢驗的既定科學目標後，還在空間量子科學實驗的其他方向展開了探索工作，利用上行量子信道，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，邁出了探索量子力學與廣義相對論相融合的實驗檢驗的第一步；將量子通信技術與量子精密測量技術相結合，實現了星地安全時頻傳輸實驗，驗證了在空間尺度開展廣域光頻標研究的可行性。

研究人員認為，這些空間量子科學實驗成果使我國第一次在空間科學研究領域走到了世界最前列，牢牢佔據了空間量子科學研究領域的主導和引領地位。

“空間量子科學研究必跨越到更高平台”

“墨子號”量子衞星項目的成功實施，進一步激發了全球關於空間量子實驗的競賽。2017年，美國宇航局發佈了關於未來空間量子物理發展方面的白皮書。同期歐洲航天局也發佈了空間量子技術的白皮書。在“墨子號”成功發射之後，世界各大強國紛紛開始了自己的量子衞星研發，推出了基於低軌道小型化量子衞星的計劃和時間表。

2021年6月，美國、英國、日本、加拿大、意大利、比利時和奧地利7國更是在G7峯會上達成合作，首次計劃聯合開發一個基於衞星的量子加密網絡——“聯邦量子系統”，利用量子技術的突破來防範日益複雜的網絡攻擊等。

潘建偉團隊的該綜述論文還對國際空間量子科學的研究進展進行了梳理。文章指出，“墨子號”的成功激勵了國際空間量子科學的研究熱潮，美國、歐盟、日本等國際上的各方力量隨後皆開始探索自己的廣域量子通信之路，提出或加速了一系列空間量子科學佈局。論文還對進一步構建覆蓋全球的量子通信網絡和基於空間平台的量子物理基礎研究進行了前瞻性的展望，表明“墨子號”系列實驗開啓了利用空間平台開展量子信息和量子物理前沿研究的廣闊天地。

該綜述論文的最後對未來空間量子科學的主要發展方向進行了展望，提出“空間量子科學研究必將從低軌道平台跨越到中高軌平台，甚至是深空平台”。在此基礎上，利用中高軌衞星平台覆蓋範圍廣、實驗時間長、微重力環境好等優勢，將空間量子通信技術同時交叉應用於遠距離高精度時頻傳遞和空間超冷原子物理等領域，在量子精密測量、量子物理與廣義相對論融合等基礎科學問題方面獲得更豐富的科學產出。

（本報記者 常河）