“墨子號”啟航：全球首顆量子衛(wèi)星揭秘

吳晶晶+楊維漢+徐海濤

8月16日凌晨，被命名為“墨子號”的中國首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星開啟星際之旅。它承載著率先探索星地量子通信可能性的使命，并將首次在空間尺度驗(yàn)證量子理論的真實(shí)性。究竟什么是量子衛(wèi)星？它的發(fā)射成功將在未來帶給我們何種變化？

在量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士看來，如果說地面量子通信構(gòu)建了一張連接每個(gè)城市、每個(gè)信息傳輸點(diǎn)的“網(wǎng)”，那么量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星就像一桿將這張網(wǎng)射向太空的“標(biāo)槍”。當(dāng)這張縱橫寰宇的量子通信“天地網(wǎng)”織就，海量信息將在其中來去如影，并且“無條件”安全。

信息安全的“終極武器”

量子科學(xué)，對絕大多數(shù)人來說十分高冷。但當(dāng)它與信息技術(shù)相連，就與我們每個(gè)人息息相關(guān)。當(dāng)今社會，信息的海量傳播背后也充斥著信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)。而量子科學(xué)則為信息安全提供了“終極武器”。

在物理王國里，量子理論是一個(gè)百歲的“幽靈”，愛因斯坦也曾被它的“詭異”所困擾。

在量子世界中，一個(gè)物體可以同時(shí)處在多個(gè)位置，一只貓可以處在“死”和“活”的疊加狀態(tài)上;所有物體都具有“波粒二象性”，既是粒子也是波;兩個(gè)處于“糾纏態(tài)”的粒子，即使相距遙遠(yuǎn)也具有“心電感應(yīng)”，一個(gè)發(fā)生變化，另一個(gè)會瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變……

正是由于量子具有這些不同于宏觀物理世界的奇妙特性，才構(gòu)成了量子通信安全的基石。在量子保密通信中，由于量子的不可分割、不可克隆和測不準(zhǔn)的特性，所以一旦存在竊聽就必然會被發(fā)送者察覺并規(guī)避。

量子通信系統(tǒng)的問世，點(diǎn)燃了建造“絕對安全”通信系統(tǒng)的希望。當(dāng)前，量子通信的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)成為各個(gè)大國爭相追逐的目標(biāo)。

在量子通信的國際賽跑中，中國屬于后來者。經(jīng)過多年的努力，中國已經(jīng)躋身于國際一流的量子信息研究行列，在城域量子通信技術(shù)方面也走在了世界前列，建設(shè)完成合肥、濟(jì)南等規(guī)?；孔油ㄐ懦怯蚓W(wǎng)，“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)也即將竣工。

然而，這只是開始?！霸诔鞘蟹秶鷥?nèi)，通過光纖構(gòu)建城域量子通信網(wǎng)絡(luò)是最佳方案。但要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離甚至全球量子通信，僅依靠光纖量子通信技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的?！迸私▊フf。

他解釋說，因?yàn)榱孔拥男畔y帶者光子在光纖里傳播100公里之后大約只有1‰的信號可以到達(dá)最后的接收站，所以光纖量子通信達(dá)到百公里量級就很難再突破。但光子穿透整個(gè)大氣層后卻可以保留80%左右，再利用衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)地面上相距數(shù)千公里甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信。

2011年，中科院正式啟動(dòng)全球首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”的研制，這既意味著中國科學(xué)家率先向星地量子通信發(fā)起挑戰(zhàn)，更意味著中國或?qū)㈩I(lǐng)先歐美獲得量子通信覆蓋全球的能力。

“四種武器”挑戰(zhàn)四大實(shí)驗(yàn)任務(wù)

目前，國際上還沒有一個(gè)國家將量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)送入空間，量子衛(wèi)星的研制沒有任何經(jīng)驗(yàn)可循，過程充滿了困難和挑戰(zhàn)。

科學(xué)家在量子衛(wèi)星上搭載了自主研發(fā)的“四種武器”：量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源和量子試驗(yàn)控制與處理機(jī)。

同時(shí)，在地面建設(shè)了科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，包括1個(gè)中心——合肥量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心;4個(gè)站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站;1個(gè)平臺——阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺。

衛(wèi)星與地面站共同構(gòu)成天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在兩年的設(shè)計(jì)壽命期間將進(jìn)行四大實(shí)驗(yàn)任務(wù)——星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)、地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。

潘建偉介紹，實(shí)驗(yàn)大致分為三類：第一類是進(jìn)行衛(wèi)星和地面之間的量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)天地之間的安全通信，如果4個(gè)地面站任何兩兩之間都可以實(shí)現(xiàn)安全的通訊，即可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng);第二類相當(dāng)于把量子實(shí)驗(yàn)室搬到太空，在空間尺度檢驗(yàn)量子理論;第三類是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面千公里量級的量子態(tài)隱形傳輸。

天地量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)非常復(fù)雜，對天地實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求也異乎尋常的高。潘建偉坦言，衛(wèi)星研制過程中，最困難的環(huán)節(jié)就是有效載荷，“攻克了許多技術(shù)難題才拿下”。

量子衛(wèi)星對精準(zhǔn)控制的要求也前所未有的高。量子衛(wèi)星系統(tǒng)總師朱振才介紹，量子衛(wèi)星飛行中，攜帶的兩個(gè)激光器要分別瞄準(zhǔn)兩個(gè)相距上千公里的地面站，向左向右同時(shí)傳輸量子密鑰，且衛(wèi)星上的光軸和地面望遠(yuǎn)鏡的光軸要始終精確對準(zhǔn)，就好比衛(wèi)星上的“針尖”對地面上的“麥芒”。

科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)，考驗(yàn)超遠(yuǎn)距離“移動(dòng)瞄靶”能力，最終突破了星地光路對準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)，通過平臺和載荷兩級控制的方式，對準(zhǔn)精度可以達(dá)到普通衛(wèi)星的10倍。

“激光器一站對一站有人做過，但一顆衛(wèi)星對準(zhǔn)兩個(gè)地面站國際上還從來沒有過。如果成功的話，在國際上也是首次實(shí)現(xiàn)這么高精度的跟蹤和地面站配合。”中科院國家空間科學(xué)中心主任吳季說。

“量子星群”引領(lǐng)量子互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代

此刻，量子衛(wèi)星已在太空軌道上翱翔。而它最初的構(gòu)想，始于十幾年前。

2001年，31歲的潘建偉從歐洲回國，在中科大組建了量子信息實(shí)驗(yàn)室。2003年，當(dāng)大多數(shù)人仍致力于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的原理性演示時(shí)，潘建偉和同事們已經(jīng)萌生了“天地一體化”量子通信網(wǎng)的初步構(gòu)想，“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正是這個(gè)構(gòu)想中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

“工欲善其事，必先利其器”。圍繞這一遠(yuǎn)景目標(biāo)，潘建偉團(tuán)隊(duì)開始了十余年的技術(shù)積累。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在自由空間量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)等方面不斷取得國際領(lǐng)先的突破性成果。

2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上第一次實(shí)現(xiàn)13公里自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)，證實(shí)光子穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持，從而驗(yàn)證了星地量子通信的可行性。

隨后，他們又不斷創(chuàng)造“傳奇”：16公里自由空間量子隱形傳態(tài)、百公里級自由空間量子通信、星地量子通信的全方位地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)……為星地量子通信打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

經(jīng)過十多年的發(fā)展，中國在量子通信領(lǐng)域已成為名副其實(shí)的世界勁旅。而這十多年間，從構(gòu)想、攻關(guān)、立項(xiàng)到突破，人類歷史上第一顆量子通信衛(wèi)星終成現(xiàn)實(shí)。

潘建偉說，“墨子號”發(fā)射以后，如果效果達(dá)到預(yù)期，下一步還計(jì)劃發(fā)射“墨子二號”“墨子三號”。“單顆低軌衛(wèi)星無法覆蓋全球，同時(shí)由于強(qiáng)烈的太陽光背景，目前的星地量子通信只能在夜間進(jìn)行。要實(shí)現(xiàn)高效的全球化量子通信，還需要形成一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)?！?/p>

未來，一個(gè)由幾十顆量子衛(wèi)星組成的“璀璨星群”，將與地面量子通信干線“攜手”，支撐起“天地一體”的量子通信網(wǎng)。

到2030年左右，中國力爭率先建成全球化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建信息充分安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，形成完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈和下一代國家主權(quán)信息安全生態(tài)系統(tǒng)。

（劉禹薦自《讀報(bào)參考》）