中國科學(xué)家謀劃用“墨子號”構建“量子星座”

　　中國首顆量子衛星“墨子號”在不到一年的時(shí)間里就完成了原定兩年完成的星地高速量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗三大科學(xué)目標?？茖W(xué)家制訂了后續拓展實(shí)驗計劃，進(jìn)一步探索量子通信技術(shù)研究與應用，并籌劃發(fā)射數顆量子衛星，構建全球量子通信網(wǎng)絡(luò )。

　　量子衛星首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士潘建偉介紹，其團隊下一步將與歐洲量子通信團隊合作進(jìn)行洲際量子密鑰分發(fā)。目前已經(jīng)順利完成與奧地利格拉茨地面站的對接測試，正在開(kāi)展量子密鑰分發(fā)實(shí)驗，8月底將具備洲際量子保密通話(huà)的條件。

　　中國將與歐洲開(kāi)展洲際量子密鑰分發(fā)(中科院供圖)

　　潘建偉說(shuō)，中國與德國和意大利等國的洲際量子密鑰分發(fā)合作也正在計劃中。德國、意大利的地面站預計在2017年年底做好開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗的準備。這表明“墨子號”不僅可跟中國的設備對接，也可與世界其他國家符合要求的設備對接。

　　此外，科研團隊還將努力實(shí)現量子通信與經(jīng)典光通信相融合的安全信息傳輸，與有需求的用戶(hù)對接，開(kāi)展量子通信現實(shí)應用。

　　潘建偉說(shuō)，目前“墨子號”實(shí)現的天地量子密鑰分發(fā)有個(gè)前提，就是“墨子號”必須可靠，因為密鑰是“墨子號”發(fā)送的，如果“墨子號”把密鑰泄露出去，那么整個(gè)過(guò)程就不安全了。

　　他說(shuō)，科研團隊下一步還要開(kāi)展基于量子糾纏的遠距離量子密鑰分發(fā)實(shí)驗。一旦成功，將最終實(shí)現所有密碼學(xué)者夢(mèng)想的“圣杯”。他希望這項工作今年能夠完成。

　　中國科學(xué)家下一步將開(kāi)展基于糾纏的遠距離量子密鑰分發(fā)(中科院供圖)

　　在更長(cháng)遠的規劃中，中國科學(xué)家的目標是建立全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò )。

　　量子衛星工程常務(wù)副總師兼衛星總指揮王建宇說(shuō)，單顆低軌衛星無(wú)法直接覆蓋全球。目前“墨子號”一次過(guò)境開(kāi)展實(shí)驗的時(shí)間約為10分鐘。如果衛星在1萬(wàn)公里的軌道上，那么發(fā)送密鑰的時(shí)間就可持續幾個(gè)小時(shí)。如果衛星在3.6萬(wàn)公里的軌道上，地球的三分之一就能一直看到衛星，這些地方就在任何時(shí)候都可以保密通信。所以理論上有三顆高軌衛星就能覆蓋全球。

　　“所以‘墨子號’只是一個(gè)起點(diǎn)，從實(shí)用的角度來(lái)說(shuō)，必須要構建由高、中、低軌道衛星組成的量子星座，建立覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò )。”王建宇說(shuō)。

　　“墨子號”開(kāi)展量子密鑰分發(fā)(中科院供圖)

　　然而，目前“墨子號”的量子密鑰傳輸只能在地影區，也就是沒(méi)有日光干擾的黑夜進(jìn)行。“我們需要攻克全天時(shí)量子通信技術(shù)以及獲得更高衰減信道下的量子通信能力。這是我們下一步實(shí)現全球量子保密通信必須要走的道路。”量子衛星科學(xué)應用系統總設計師、衛星系統副總設計師彭承志說(shuō)。

　　最近，潘建偉、彭承志等科學(xué)家已經(jīng)在地面實(shí)驗中取得突破，在國際上首次成功實(shí)現白天遠距離(53公里)自由空間量子密鑰分發(fā)。這一突破驗證了日光條件下星間和星地之間量子密鑰分發(fā)的可行性，為未來(lái)構建基于量子衛星的星地、星間量子通信網(wǎng)絡(luò )掃清了一大關(guān)鍵技術(shù)障礙。

　　2016年11月28日，在河北興隆觀(guān)測站，“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛星過(guò)境，科研人員在做實(shí)驗。(合成照片)。 新華社記者金立旺 攝　　“這證明衛星組網(wǎng)突破地影區限制是可行的，下一步我們會(huì )圍繞這個(gè)方向進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)工作。”潘建偉說(shuō)。

　　他說(shuō)：“我們希望通過(guò)10年左右的努力，最終能夠構建完整的空地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò )體系，在國防、政務(wù)、金融和能源等領(lǐng)域廣泛應用，并與經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)現無(wú)縫對接，推動(dòng)形成具有國際引領(lǐng)地位的戰略性新興產(chǎn)業(yè)和下一代國家信息安全生態(tài)系統。也希望進(jìn)一步探索對廣義相對論、量子引力等物理學(xué)基本原理的檢驗。”

　　“如果國家支持發(fā)射多顆量子通信衛星，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)。