墨子號： 樹(shù)起量子通信中國標桿

　　近日，美國科學(xué)促進(jìn)會(huì )宣布，“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛星科研團隊被授予2018年度克利夫蘭獎，以表彰該團隊通過(guò)實(shí)現千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)，為推動(dòng)大尺度量子通信實(shí)驗研究做出的卓越貢獻。這是該獎設立九十余年來(lái)，中國科學(xué)家在本土完成的科研成果首次獲得這一重要榮譽(yù)。而幾個(gè)月前，2018年12月17日，“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛星完成的洲際量子密鑰分發(fā)研究成果，還被列入美國物理學(xué)會(huì )2018年度國際物理學(xué)領(lǐng)域的十項重大進(jìn)展。

　　圓滿(mǎn)實(shí)現三大科學(xué)目標

　　“‘墨子號’量子衛星圓滿(mǎn)實(shí)現預定的全部三大科學(xué)目標，為我國在未來(lái)繼續引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問(wèn)題檢驗前沿研究奠定了堅實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授告訴科技日報記者。

　　由于量子不可克隆原理，量子通信的信號不能像經(jīng)典通信那樣被放大，又由于光纖信道的固有衰減，量子通信的距離受到很大限制。利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點(diǎn)，通過(guò)衛星輔助可以大大擴展量子通信距離。潘建偉團隊為實(shí)現星地量子通信開(kāi)展了一系列先驅性的實(shí)驗研究?！澳犹枴绷孔涌茖W(xué)實(shí)驗衛星于2016年8月16日在酒泉衛星發(fā)射中心成功發(fā)射，2017年1月18日正式開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗。

　　星地高速量子密鑰分發(fā)是“墨子號”量子衛星的科學(xué)目標之一?！澳犹枴绷孔有l星與河北興隆地面光學(xué)站建立了光鏈路，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個(gè)數量級(萬(wàn)億億倍)。

　　實(shí)現地星量子隱形傳態(tài)是“墨子號”量子衛星的又一科學(xué)目標。量子隱形傳態(tài)可利用量子糾纏將粒子的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠地點(diǎn)，而不用傳送粒子本身?！澳犹枴绷孔与[形傳態(tài)實(shí)驗采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式。衛星過(guò)境時(shí)與海拔5100米的西藏阿里地面站建立光鏈路，地面光源每秒產(chǎn)生8000個(gè)量子隱形傳態(tài)事例，向“墨子號”量子衛星發(fā)射糾纏光子，實(shí)驗通信距離從500公里到1400公里，所有6個(gè)待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。

　　量子糾纏被愛(ài)因斯坦稱(chēng)之為“鬼魅般的超距作用”，也是量子力學(xué)最神奇的現象之一。由于量子糾纏非常脆弱，以往的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗只停留在百公里的距離。這種“鬼魅般的超距作用”在更遠的距離上是否仍然存在?會(huì )不會(huì )受到引力等其他因素的影響?作為衛星的三大科學(xué)實(shí)驗任務(wù)之一，“墨子號”量子衛星在國際上首次在空間尺度上開(kāi)展了量子糾纏分發(fā)實(shí)驗。

　　“墨子號”衛星上的糾纏源載荷每秒產(chǎn)生800萬(wàn)個(gè)糾纏光子對，可以每秒1對的速度在地面超過(guò)1200公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏，量子糾纏的傳輸衰減僅是地面光纖的一萬(wàn)億分之一。

　　開(kāi)啟全球量子通信時(shí)代

　　“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛星取得的一系列科學(xué)實(shí)驗成果，在獲得國際上盛大贊譽(yù)與好評的同時(shí)，也開(kāi)啟了全球化量子通信時(shí)代之門(mén)。

　　星地量子密鑰分發(fā)的實(shí)現，為構建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò )奠定了可靠的技術(shù)基礎。以此為基礎，將衛星作為可信中繼，可實(shí)現地球上任意兩點(diǎn)的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴展到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網(wǎng)互聯(lián)，可以構建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò )。

　　星地量子糾纏分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)的實(shí)現，使人們可以利用量子糾纏所建立起的量子信道，構建起量子信息處理網(wǎng)絡(luò )的基本單元，同時(shí)也為未來(lái)開(kāi)展大尺度量子網(wǎng)絡(luò )和量子通信實(shí)驗研究，以及開(kāi)展外太空廣義相對論、量子引力等物理學(xué)基本原理的實(shí)驗檢驗奠定了可靠的技術(shù)基礎。

　　而在“墨子號”三大預定科學(xué)實(shí)驗任務(wù)完成之后，2018年初，通過(guò)與奧地利科學(xué)院的國際合作，“墨子號”量子衛星首次實(shí)現了北京和維也納之間相距約7600公里的洲際量子保密通信。這一成果也被美國物理學(xué)會(huì )評選為2018年度國際物理學(xué)十大進(jìn)展之一。

　　2018年，素有著(zhù)諾貝爾獎風(fēng)向標之稱(chēng)的“沃爾夫物理學(xué)獎”在獲獎?wù)呓榻B中專(zhuān)門(mén)提到：“量子密鑰分發(fā)已經(jīng)成功實(shí)現商業(yè)化，在光纖中已經(jīng)能做到幾百公里，用衛星可以做到上千公里”。而這兩個(gè)紀錄正是潘建偉團隊創(chuàng )造的，一個(gè)是光纖量子密鑰分發(fā)最遠安全距離做到404公里，另一個(gè)就是“墨子號”做到的星地1200公里，這是中國科學(xué)家的貢獻，也是中國量子通信領(lǐng)先世界的標志。

　　“量子通信利用量子力學(xué)原理對量子態(tài)進(jìn)行操控，可以完成經(jīng)典通信所不能完成的任務(wù)?！迸私▊フf(shuō)，量子密鑰分發(fā)可以實(shí)現無(wú)條件安全的密鑰分發(fā)，就算竊聽(tīng)者有全宇宙最強的計算機，哪怕是量子計算機，也不能破解加密后的信息。使用量子密鑰分發(fā)技術(shù)可以幫助實(shí)現通信安全中機密性、真實(shí)性和不可否認性的無(wú)條件安全，也就是說(shuō)，保證通信加密無(wú)法破譯，保證對方身份真實(shí)可靠，保證信息無(wú)法被篡改。

　　標準化是產(chǎn)業(yè)成熟發(fā)展基石

　　2013年，我國啟動(dòng)量子保密通信京滬干線(xiàn)工程建設，目前除了按計劃接入的金融用戶(hù)外，電力系統、大數據互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)也正在接入，央行已經(jīng)在制定金融領(lǐng)域接入使用的相關(guān)標準。

　　幾乎同時(shí)，世界主要的發(fā)達國家都已經(jīng)或正在加緊實(shí)施遠距離量子通信干線(xiàn)工程。意大利量子通信骨干網(wǎng)用戶(hù)囊括了意大利國家計量研究院、歐洲非線(xiàn)性光譜實(shí)驗室等多家研究機構和公司;英國正在建設英國國家量子通信測試網(wǎng)絡(luò );俄羅斯量子中心建成了專(zhuān)用于傳遞真實(shí)金融數據的實(shí)用量子通信線(xiàn)路;韓國第一階段環(huán)首爾地區的量子保密通信網(wǎng)絡(luò )，除為公共行政事務(wù)、警察和郵政等領(lǐng)域服務(wù)外，正在向國防和金融領(lǐng)域拓展……

　　“京滬干線(xiàn)將帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，特別是在核心元器件國產(chǎn)化和相關(guān)標準制定方面?！迸私▊フf(shuō)，當前率先實(shí)用化的量子保密通信技術(shù)(或稱(chēng)量子密鑰分發(fā)，QKD)正在蓬勃發(fā)展，取得了長(cháng)足的進(jìn)步，但要進(jìn)一步實(shí)現QKD從實(shí)用化到產(chǎn)業(yè)化規模應用，還面臨著(zhù)不少挑戰。其中，標準化是關(guān)鍵一步，是未來(lái)產(chǎn)業(yè)成熟發(fā)展的基石。

　　目前，我國正全力推進(jìn)QKD標準化相關(guān)工作。2017年6月，工信部中國通信標準化協(xié)會(huì )(CCSA)成立量子通信與信息技術(shù)特設組，已有44家會(huì )員單位，正在圍繞量子保密通信標準體系的術(shù)語(yǔ)、應用場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò )架構、技術(shù)要求、測試方法、應用接口等內容編制有關(guān)國家標準和行業(yè)標準。另外，我國專(zhuān)家在ISO/IEC國際標準化組織啟動(dòng)了QKD的全球首個(gè)國際標準項目，正式開(kāi)啟了QKD的國際標準化進(jìn)程。

　　“與任何一項新技術(shù)的發(fā)展一樣，量子通信技術(shù)的應用和發(fā)展也需要實(shí)驗和應用示范?！睂τ诠こ袒蛯?shí)用化，潘建偉一直秉持這樣的觀(guān)點(diǎn)，一方面要謹慎論證，另一方面也要積極部署，因為有應用才有進(jìn)步、才有未來(lái)。