“在量子通信領(lǐng)域，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)，我們已經(jīng)開(kāi)始思考如何能夠在太空中實(shí)現(xiàn)量子信息傳輸?！?月16日，當(dāng)全球第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”成功進(jìn)入太空時(shí)，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程首席科學(xué)家潘建偉回想起了中國(guó)科學(xué)家們過(guò)去十多年來(lái)的不懈追求。

在量子通信的國(guó)際競(jìng)賽中，中國(guó)起步并非最早，但在潘建偉等人的努力下，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“彎道超車”，成為首個(gè)將量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星送入太空的國(guó)家?！拔覀儗⒁I(lǐng)全世界在量子通信方面的研究?！彼f(shuō)。

從光纖到衛(wèi)星

發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的計(jì)劃，要追溯到13年前。

近年來(lái)，量子信息科學(xué)成為物理學(xué)和信息科學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究前沿之一。利用量子調(diào)控技術(shù)，能夠用一種革命性的方式對(duì)信息進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)、傳輸和操縱，在確保信息安全、提高運(yùn)算速度、提升測(cè)量精度等方面突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。

“量子通信是迄今唯一被嚴(yán)格證明為無(wú)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(nèi)容不被破譯。它可以從根本上保障信息安全、保護(hù)全人類的隱私?！迸私▊フf(shuō)，量子通信的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化成為歐盟、美國(guó)、日本等爭(zhēng)相追逐的目標(biāo)。

2001年，潘建偉回國(guó)建立量子信息實(shí)驗(yàn)室。2007年，他的團(tuán)隊(duì)在世界上首次利用誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)了安全距離超過(guò)100公里的光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)在城市范圍內(nèi)通過(guò)光纖構(gòu)建了城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，成為城域量子通信網(wǎng)絡(luò)的全球領(lǐng)先者。

“但光纖存在損耗問(wèn)題。”潘建偉說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)。早在2003年，潘建偉便提出了發(fā)射量子衛(wèi)星的構(gòu)想，而當(dāng)時(shí)很多科學(xué)家對(duì)量子通信的構(gòu)想還停留在實(shí)驗(yàn)室。經(jīng)過(guò)多年研究，2011年，我國(guó)正式啟動(dòng)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程，并將其列入空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)。

完全靠自己

“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為兩年，潘建偉為這顆第一個(gè)踏入太空的量子衛(wèi)星布置了“作業(yè)”：進(jìn)行星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，以期在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破；在空間尺度進(jìn)行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究，檢驗(yàn)量子力學(xué)在大尺度范圍的有效性。

這些實(shí)驗(yàn)將通過(guò)我國(guó)自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備完成，它能夠產(chǎn)生經(jīng)過(guò)編碼的，甚至是糾纏的光子并發(fā)射到地面上，與之對(duì)接的地面系統(tǒng)則負(fù)責(zé)接收光子。為此，我國(guó)建設(shè)了以4個(gè)量子通信地面站和1個(gè)量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站為核心的天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

但是，要完成“作業(yè)”并不輕松。量子衛(wèi)星在飛行的過(guò)程中，攜帶的兩個(gè)激光器要分別瞄準(zhǔn)兩個(gè)地面站，向左向右同時(shí)傳輸量子密鑰?！皣?guó)外的光通信衛(wèi)星都是瞄準(zhǔn)一個(gè)地面站，一顆衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)地面站的從來(lái)沒(méi)有過(guò)，而且還要保證對(duì)得準(zhǔn)，技術(shù)難度很大?！绷孔涌茖W(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說(shuō)。

這種高精度的跟蹤和地面站配合到底有多難？王建宇打了個(gè)比方：坐在萬(wàn)米高空的飛機(jī)上，向地下連續(xù)扔下一枚枚硬幣，要保證每一枚硬幣都要扔進(jìn)線型開(kāi)口的儲(chǔ)蓄罐，而且儲(chǔ)蓄罐還在旋轉(zhuǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)這種精度，王建宇與潘建偉等從2012年起就開(kāi)始進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)?！耙郧白龊教旃ぷ?，多少能找到一些參考，看看人家是怎么做的，自己怎么改進(jìn)和超過(guò)。但這次是別人從沒(méi)做過(guò)的，完全靠自己解決?！蓖踅ㄓ罡锌?。

走入千家萬(wàn)戶

“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星升天后，將結(jié)合我國(guó)地面即將建成的“京滬干線”千公里級(jí)廣域量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建我國(guó)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(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

“但衛(wèi)星的發(fā)射并不代表我們的努力就到此為止?！迸私▊フf(shuō)，單顆低軌衛(wèi)星無(wú)法覆蓋全球，同時(shí)由于強(qiáng)烈的太陽(yáng)光背景，目前的星地量子通信只能在地影區(qū)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)星的網(wǎng)絡(luò)。

繼“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”項(xiàng)目之后，我國(guó)還將計(jì)劃開(kāi)展空間站“量子調(diào)控與光傳輸研究”項(xiàng)目。該項(xiàng)目將研究星間量子通信技術(shù)、全天時(shí)量子通信技術(shù)等，同時(shí)進(jìn)行量子密鑰組網(wǎng)應(yīng)用、多種技術(shù)體制的空間激光通信驗(yàn)證、量子密鑰分發(fā)與激光通信復(fù)合的加密信息傳輸系統(tǒng)等應(yīng)用研究，為下一步的衛(wèi)星組網(wǎng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

“如果進(jìn)展順利，國(guó)家也支持發(fā)射多顆量子通信衛(wèi)星，那么有希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。”潘建偉說(shuō)，他的愿望是爭(zhēng)取用15年左右時(shí)間使量子通信進(jìn)入千家萬(wàn)戶。（記者 陳海波）