全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)絡(luò )，覆蓋我國四省三市32個(gè)節點(diǎn)，包括北京、濟南、合肥和上海4個(gè)量子城域網(wǎng)，通過(guò)兩個(gè)衛星地面站與“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛星相連，總距離為4600公里，目前已接入金融、電力、政務(wù)等行業(yè)的150多家用戶(hù)。
遨游在太空的“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛星，如今有了屬于自己的“正式名稱(chēng)”。2020年9月11日，國家重大文化工程《辭?！?第七版)正式對外發(fā)布，本次新增內容中添加了“量子通信”“量子科學(xué)實(shí)驗衛星”等詞條。
2016年8月16日1時(shí)40分，我國在酒泉衛星發(fā)射中心用長(cháng)征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗衛星“墨子號”發(fā)射升空。為了這一天，中國的量子物理學(xué)家們，已經(jīng)準備了10多年。
把量子實(shí)驗室“搬”上太空
“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛星的誕生，源于我國“構建全球范圍量子通信網(wǎng)”的科學(xué)愿景。
“把量子實(shí)驗室‘搬’上太空的設想，10多年前就已被提出。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士潘建偉說(shuō)。
早在2003年，潘建偉團隊就開(kāi)始探索在自由空間實(shí)現更遠距離的量子通信，提出了利用衛星實(shí)現遠距離量子糾纏分發(fā)的方案。在自由空間，環(huán)境對光量子態(tài)的干擾效應極小，而光量子在穿透大氣層進(jìn)入外層空間后，其損耗更是接近于零，這使得自由空間信道比光纖信道在遠距離傳輸方面更具優(yōu)勢。
2005年，潘建偉團隊首先在合肥實(shí)現距離達13公里的自由空間量子糾纏分發(fā)和量子通信，13公里約等于地球表面的大氣厚度，這次實(shí)驗在國際上首次證明糾纏光量子在穿透等效于整個(gè)大氣層厚度的地面大氣后，糾纏仍然能夠保持，其可被應用于高效、安全的量子通信，該實(shí)驗為后續的自由空間量子通信實(shí)驗奠定基礎。
此前，一直走在全球量子通信領(lǐng)域前列的，是奧地利物理學(xué)家安東·蔡林格的團隊。安東·蔡林格團隊1997年在室內首次完成了量子態(tài)隱形傳輸的原理性實(shí)驗驗證，他們在2004年又利用多瑙河底的光纖信道將量子態(tài)隱形傳輸距離提高至600米。潘建偉到奧地利攻讀博士學(xué)位期間，曾在安東·蔡林格團隊擔任研究骨干。
2001年，潘建偉學(xué)成回國，在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)建立起中國的量子物理實(shí)驗室。在那之后，這對師徒既是合作伙伴又是競爭對手，正式開(kāi)始了攀登量子通信技術(shù)高峰的競賽。
相比于安東·蔡林格團隊，潘建偉團隊的進(jìn)度更快，并逐步實(shí)現了從并跑到小幅度領(lǐng)先的超越。
2010年，潘建偉團隊成功實(shí)現當時(shí)世界上最遠距離的16公里量子隱形傳態(tài)，首次證實(shí)量子隱形傳態(tài)穿越大氣層的可行性，為未來(lái)基于衛星中繼的全球化量子通信網(wǎng)奠定了可靠基礎。為了這次實(shí)驗，潘建偉團隊從2007年開(kāi)始在北京八達嶺與河北懷來(lái)之間架設了一條長(cháng)達16公里的自由空間量子信道。
隨后，潘建偉團隊在青海湖地區新建實(shí)驗基地，開(kāi)展驗證星地自由空間量子通信可行性的地基實(shí)驗研究，從多個(gè)方面進(jìn)行攻關(guān)，旨在突破基于衛星平臺自由空間量子通信的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，并在2012年實(shí)現全球首個(gè)上百公里的自由空間量子隱形傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)，對星地量子通信可行性進(jìn)行了全方位地面驗證。
在這場(chǎng)量子學(xué)革命的科學(xué)競賽中，多個(gè)“世界首次”“世界首個(gè)”均來(lái)自于由潘建偉領(lǐng)銜的“中國隊”：在國際上首次實(shí)現安全通信距離超過(guò)100公里的光纖量子密鑰分發(fā)、實(shí)現國際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò )、建成世界首個(gè)規?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò )……“這標志著(zhù)中國在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國家逐步發(fā)展為現在的世界勁旅，將領(lǐng)先歐洲和北美。”國際權威期刊《自然》雜志曾如此感嘆。
中國團隊的這些研究工作，證明了實(shí)現基于衛星的全球量子通信網(wǎng)絡(luò )和開(kāi)展空間尺度量子力學(xué)基礎檢驗的可行性。
挑戰世界最高難度
2010年3月31日，我國國務(wù)院第105次常務(wù)會(huì )議審議通過(guò)了中國科學(xué)院“創(chuàng )新2020”規劃，要求中國科學(xué)院“組織實(shí)施戰略性先導科技專(zhuān)項，形成重大創(chuàng )新突破和集群優(yōu)勢”。
2011年1月25日，中國科學(xué)院實(shí)施啟動(dòng)首批“4+1”個(gè)戰略性先導科技專(zhuān)項，其中就包括空間科學(xué)先導專(zhuān)項?？臻g科學(xué)先導專(zhuān)項第一批確定研發(fā)包括“墨子號”在內的四顆科學(xué)實(shí)驗衛星。另外三顆分別為暗物質(zhì)探測衛星“悟空”、我國首顆微重力科學(xué)實(shí)驗衛星“實(shí)踐十號”和硬X射線(xiàn)調制望遠鏡衛星“慧眼”。
“工程師的任務(wù)是技術(shù)實(shí)現，要把科學(xué)家的夢(mèng)想變成現實(shí)。”量子衛星工程常務(wù)副總師兼衛星總指揮王建宇說(shuō)，2011年量子科學(xué)實(shí)驗衛星“墨子號”項目正式立項后，更高難度的挑戰開(kāi)始了。
量子科學(xué)實(shí)驗衛星是我國自主研發(fā)的星地量子通信設備，突破了一系列高精尖技術(shù)，包括“針尖對麥芒”的星地光路對準，偏振態(tài)保持與星地基矢校正，量子光源載荷等關(guān)鍵技術(shù)。
王建宇從2007年就開(kāi)始參與量子衛星的研究工作。他是中國科學(xué)院上海分院的副院長(cháng)、原中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所所長(cháng)，作為光學(xué)遙感系統專(zhuān)家，他的團隊與潘建偉團隊合作，在遼闊美麗的青海湖畔實(shí)現了百公里級自由空間量子通信。
在2007年至2010年的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，研究團隊將量子密鑰產(chǎn)生的地方放在位于青海湖湖心島的海心山上，從中間向兩邊分發(fā)。
那時(shí)，晚上團隊成員們就睡在帳篷里，同時(shí)還不能睡死，他們要打死一批批有可能干擾設備的蛾子。其中有位女研究生，從看見(jiàn)蛾子就害怕，到后來(lái)變成一邊做實(shí)驗一邊面不改色地把蛾子一只只拍死的“殺手”。
“以前做衛星，多少能找到參考資料，但這個(gè)量子衛星的工作，屬?lài)H首次，完全沒(méi)有參考。”王建宇認為，最困難的環(huán)節就是實(shí)現天地一體化聯(lián)通。
按潘建偉等科學(xué)家的實(shí)驗設計要求，“墨子號”不僅是天上的那顆衛星，它還包括地面系統：1個(gè)中心——合肥量子科學(xué)實(shí)驗中心，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)驗平臺。衛星和地面站之間，要做到最高精度的瞄準和最靈敏的探測。
光量子非常小，它是光的最小單位，必須要用極為靈敏的探測器才能探測到;它的數量又非常多，“墨子號”衛星每秒能分發(fā)1億光量子;此外，它還姿態(tài)萬(wàn)千，能形成不同的量子編碼……
王建宇打了個(gè)比方：如果把光量子看成一個(gè)1元硬幣，星地實(shí)驗就相當于要在萬(wàn)米高空飛行的飛機上，不斷把上億個(gè)硬幣一個(gè)個(gè)投到地面上一個(gè)不斷旋轉的儲錢(qián)罐里(偏振測量的基矢在變化)，這不但要求硬幣擊中儲錢(qián)罐(瞄準精度)，而且要求硬幣準確射入罐子上細長(cháng)的投幣口(偏振保持)。
為了讓穿越大氣層后光量子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，王建宇團隊與潘建偉團隊一道，從2012年起開(kāi)始進(jìn)行了各種實(shí)驗：收發(fā)距離40公里的轉臺實(shí)驗，要與衛星繞地運行的角速度一致;30公里距離的車(chē)載高速運動(dòng)實(shí)驗，要考驗超遠距離“移動(dòng)瞄靶”能力;熱氣球浮空平臺實(shí)驗，在空地環(huán)境下模擬量子密鑰分發(fā)……
這么困難的“針尖”對“麥芒”，其關(guān)鍵技術(shù)最終被一一攻破，在十幾個(gè)研究所的幾百位科研人員的傾情投入下，衛星的初樣完成了。
構建首個(gè)星地量子通信網(wǎng)
32年前，人類(lèi)歷史上首次量子通信在實(shí)驗室實(shí)現了，傳輸距離32厘米。而今，中國人將這個(gè)距離擴展了1400多萬(wàn)倍，實(shí)現了從地面到太空的多用戶(hù)通信。
2021年1月7日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上發(fā)表了題為《跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò )》的論文。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，中國科研團隊成功實(shí)現了跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)，標志著(zhù)我國已構建出天地一體化廣域量子通信網(wǎng)雛形。
20年磨一劍，中國在量子通信域實(shí)現了從跟跑到領(lǐng)跑：量子保密通信京滬干線(xiàn)總長(cháng)超過(guò)2000公里，是目前世界上最遠距離的基于可信中繼方案的量子安全密鑰分發(fā)干線(xiàn)，該線(xiàn)路已于2017年9月底正式開(kāi)通。“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛星于2016年8月在酒泉衛星發(fā)射中心成功發(fā)射，圓滿(mǎn)完成了預定的全部科學(xué)目標。
“墨子號”牽手“京滬干線(xiàn)”，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研人員潘建偉、陳宇翱、彭承志等與中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、濟南量子技術(shù)研究院及中國有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò )有限公司合作，構建了全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)。經(jīng)過(guò)為期兩年多的穩定性、安全性測試，該通信網(wǎng)實(shí)現了跨越4600公里的多用戶(hù)量子密鑰分發(fā)。
“要實(shí)現廣域量子通信，就要解決光量子損耗、退相干等一系列技術(shù)難題，比如光量子數在光纖里每傳輸約15公里就會(huì )損失一半，200公里后只剩萬(wàn)分之一。”潘建偉說(shuō)，科研團隊在光學(xué)系統等方面發(fā)展了多項先進(jìn)技術(shù)，化解了這些難題。
全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)絡(luò )，覆蓋我國四省三市32個(gè)節點(diǎn)，包括北京、濟南、合肥和上海4個(gè)量子城域網(wǎng)，通過(guò)兩個(gè)衛星地面站與“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛星相連，總距離為4600公里，目前已接入金融、電力、政務(wù)等行業(yè)的150多家用戶(hù)。
目前，廣域量子通信網(wǎng)絡(luò )的雛形已基本形成，未來(lái)在此基礎上，可進(jìn)一步推動(dòng)量子通信在金融、政務(wù)、國防、電子信息等領(lǐng)域的廣泛應用。
《自然》雜志審稿人對此評價(jià)道，這是地球上最大、最先進(jìn)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò )，是量子通信“巨大的工程性成就”。星地量子通信網(wǎng)的建成，為未來(lái)實(shí)現覆蓋全球的“量子網(wǎng)”奠定科技基礎，也為相對論、引力波等科學(xué)研究，提供了前所未有的“天地實(shí)驗室”。
(記者 吳長(cháng)鋒)
關(guān)鍵詞： 量子實(shí)驗室 搬上太空 天地一體 萬(wàn)里通信網(wǎng)
