「墨子」上天，開啟全球量子通信網，中國又一次領跑世界！
經過13年準備，「墨子號」終於成功升空！
16日1時40分，世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」搭載長征二號丁運載火箭，從酒泉衛星發射中心東風航天城順利發射升空。
科技日報已多日持續關注「墨子號」最新動態，發掘背後所不為人知的科學故事，為您全方位展示這顆世界量子通信研究領域最亮的「星」！
圖片來自新華網
量子衛星首席科學家、中科院院士潘建偉說，給它起名「墨子」，是因為墨子首先通過小孔成像實驗發現了光沿直線傳播，而且他也提出了某種意義上的「粒子論」。
帶著中國先賢的名字，這顆衛星於16日凌晨發射至高度為500公里的預定軌道。半夜發射一顆太陽同步衛星，是為了保證它每次飛過中國上空都在夜間，夜間試驗可以規避光線干擾。
「墨子號」是中國科學院空間科學先導專項首批實驗衛星之一，主要科學目標是星地高速量子密鑰分發實驗，在此基礎上實驗廣域量子密鑰網路，以期空間量子通信實用化；它將在太空中分發糾纏光子，實驗量子隱形傳態，並檢驗空間尺度的量子力學完備性。
潘建偉說：「使用量子衛星，點對點傳輸，可以做到1秒鐘傳送100K密鑰數據；以後提高到1兆或10兆密鑰，這將極大推動量子通信實用化。」
資料圖。圖片來自網路
此外，潘建偉表示，作為一顆科學衛星，「墨子號」將在大尺度範圍驗證量子力學。中國科學技術大學2015年首次在世界上實現光子多項信息的隱形傳態，科學家將之形象比喻為：一瞬間，合肥的孫悟空崩潰了，北京出現一隻具備孫悟空身高和體重的猴子。此次，該項目將試圖讓「孫悟空」在太空與地面之間瞬移。
除此以外，「墨子號」還搭載第二代激光實驗系統，用新方法實現更高的信息傳遞速率。
中國研發的量子衛星應用了一系列高新技術，包括同時瞄準兩個地面站的高精度星地光路對準、星地偏振態保持與基矢校正、星載量子糾纏源等。衛星設計壽命為兩年。本次任務還搭載發射了中科院研製的稀薄大氣科學實驗衛星和西班牙科學實驗小衛星。
量子衛星設想由來已久
源自30年前奇想
1984年
IBM的兩位工程師提出了全新保密通信方案，用量子物理學的極端特性來確保秘密不被竊取。
1991年
英國科學家又提出了一種新思路：用量子糾纏態來發密文。
1993年
1989年，IBM實驗室製造了一個叫「瑪莎姨媽的棺材」的小盒子，其中光子攜帶著密鑰走了30厘米，證實了量子保密通信可行。1993年英國國防部將這一紀錄提高到10公里。
2006年
中科大的潘建偉團隊在世界上首次利用誘騙態方案實現了超過100公里的光纖量子密鑰分發；而美國和奧地利科學家隨後也做到這一點。
2008年
潘建偉團隊發明了量子中繼器，使得即將衰竭的光子將信息傳給其他光子，被《自然》稱讚為「清除了量子通信的一塊攔路石」。
示意圖，衛星發出一對糾纏光子，兩個站同時收到。圖片來自科技日報
「2003年，我們想到，為了真正實現遠距離量子通訊，可能需要衛星。」8月15日，東風航天城的東風賓館，潘建偉面對媒體回憶起量子衛星想法的誕生。
那時，距離潘建偉在中國建立第一個光量子操縱實驗室，僅僅兩年。
量子有許多神奇的特性，其中之一就是「糾纏」。對處於糾纏態的其中一個粒子進行操作，會影響到另一個粒子。不管這兩個粒子相距多遠，他們都有著不可思議的「心靈感應」。
於是，量子隱形傳態的概念被提出：關於一個量子客體的全部信息在某個地點被掃描輸入，又能在一個新的地點重構出來。
但是，傳遞處於糾纏態粒子的過程，充滿著噪音、散射和各種形式的其他干擾，任何一種干擾都會破壞隱形傳態所必需的精巧的量子關聯。比如，糾纏光子通過光纖傳輸，但光纖會吸收光，這大大限制了光子的傳輸距離。潘建偉說，即使存在超出目前技術水平的10G赫茲理想單光子源和100%探測效率的理想單光子探測器，但若要在1000公里光纖中進行點對點量子通信，每300年也只能傳輸一個比特。「因此，要實現覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要藉助衛星的中轉。」
通過一系列的實驗，量子隱形傳態的距離紀錄被中外科學家一再刷新。
量子科學實驗衛星正樣星（中國科學院供圖）
2005年，潘建偉團隊實現了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發實驗，證實光子穿透大氣層後，其量子態能夠有效保持。
2007年開始，潘建偉與中科院一些機構合作，做地面驗證。2010年，他們論證了發射衛星的可能性；2011年底，量子科學實驗衛星項目正式立項。
困難全都得自己解決。
「墨子號」常務副總師兼衛星總指揮王建宇說，他的工作就是幫助科學家夢想成真。「2011年到今天，我們經歷了原理樣機、初樣、正樣幾個階段的努力。因為是國際上第一顆量子衛星，毫無參照。以前有些衛星任務，多少能找到參考，在國際做法的基礎上改進。但量子衛星的困難全得自己解決。」
王建宇舉了一個難點：「首先，衛星微弱的光發下來，地面要收到。一千公里遠，0.7個角秒，對不準不行，而且地面要收到每一個光子。因為光的編碼是偏振狀態，我們不但要收到光子，還要完美檢測偏振狀態，才能變成密碼。」
王建宇打比方說，這就相當於人坐在萬米高空的飛機，向下扔一連串硬幣，要扔進一個慢慢旋轉的儲幣罐的縫裡。必須瞄準好，因為硬幣斜了也投不進去。而且，「密鑰分發時候，每秒鐘要接收1億個光子。這些光子的次序還不能搞錯，搞錯就白收了。」王建宇說。
接受光子的望遠鏡的靈敏度，相當於月球上劃一根火柴，地球上就要測到。而潘建偉則比作：在地球上能看清木星衛星上的車牌號。
「衛星上發出一對糾纏光子，要兩個站同時收到，國際上從未做過。」王建宇說，「美國人做過一個點對準。他們是強光通信，要用強光引導。我們是弱光通信，用5種光，還要區分出來。」
潘建偉坦言，衛星研製過程中，遇到了各種難題，很難說哪個困難最大。他透露，在衛星設計過程中，他們也有過重要的調整。「宇宙中有很多高能粒子，我們的衛星要接受地面信號，需要紅外探測器在宇宙環境中，單光子水平下長時間工作。西歐給出的測試報告，說探測器可以經受高能粒子打擊。結果我們去驗證，1個星期探測器就被打壞了。於是，我們就想將軌道搞低一點，避開高能粒子，但作用有限。後來我們又用了一種辦法，讓探測器即使身處高能粒子打擊下，還能工作1年以上。」
量子太空競賽正酣
由元器件、通訊設備、量子通信網路運營及專網應用服務四個環節將形成我國未來量子通信產業鏈，圖片來自科技日報
2008年，歐盟發布《量子信息處理與通信戰略報告》；隨後歐盟啟動量子通信技術標準化研究，並成立「基於量子密碼的安全通信」工程。目前，歐盟計劃啟動10億歐元的量子技術旗艦項目，旨在建立極具競爭力的歐洲量子產業。
美國同樣積極，美國國防部支持的「高級研發活動」計劃將量子通信應用拓展到衛星通信、城域以及長距離光纖網路；NASA也計劃在其總部和噴氣推進實驗室之間建立一個直線600公里、包含10個骨幹節點的遠距離光纖量子通信幹線，並計劃拓展到星地通信。在美國國防部2013年到2017年的科技發展計劃中，量子信息與控制技術被列入六大顛覆性研究領域。它將IBM、美國國防部高級研究計劃署、中科大、洛克希德馬丁公司和日本NTT公司列為該領域重要研究機構。
2014年，全球最大的獨立科技研發機構美國Battelle公司提出商業化的廣域量子通信網路規劃，計劃建造環美國的萬公里量子通信骨幹網路，為谷歌、IBM、微軟、亞馬遜等公司的數據中心提供量子通信服務。
日本也提出了量子信息長期戰略。日本國立信息通信研究院計劃在2020年實現量子中繼，到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網路。
世界各國都在準備或已開展星地量子通信計劃，其中包括美國NASA的PhoneSat計劃，奧地利聯合歐空局開展的「Space-QUEST」實驗計劃等。但中國的衛星先行一步。
量子通信成為列強競爭新高地
歐盟
計劃啟動10億歐元的量子技術旗艦項目，旨在建立極具競爭力的歐洲量子產業。
美國
美國國防部的「高級研發活動」計劃將量子通信應用拓展到衛星通信、城域以及長距離光纖網路。
日本
計劃在2020年實現量子中繼，到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網路。
「墨子」入軌，中國領跑量子太空競賽
在酒泉衛星發射中心，衛星在安裝星箭分離解鎖機構（2016年8月4日攝）
2013年，中科院設立了量子科學實驗衛星戰略先導專項計劃，由中科大、中科院各院所和航天八院共同攻關。按照項目首席科學家潘建偉的計劃，中國量子通信技術發展分三步：一是通過光纖實現城域網路；二是通過量子中繼器實現城際網路；三是通過衛星中轉實現可覆蓋全球的廣域網路。此次衛星發射開啟了第三步。
在回答「為何先於歐美髮射量子衛星」時，潘建偉說：「大多數人仍致力於實驗室內部的原理性演示時，我們的團隊已經開始思考如何能夠在太空中實現量子信息傳輸，並早在2003年就初步構想了量子科學實驗衛星計劃。自2005年起，我們團隊就開始星地量子通信的地面驗證實驗。」
「Anton Zeilinger研究組以及歐洲眾多的優秀研究團隊一直在與歐洲空間局商討建立以國際空間站為平台的星地量子通信計劃，然而，歐空局緩慢的決策機制使得這一計劃一再拖延。」潘建偉說，「而在我國，一方面，國家高強度支持……另一方面，在衛星量子通信方向出現重大突破跡象時，中科院快速做出前瞻性決策，得以在國際上率先啟動。」
「在量子通信產業化及相關應用技術方面，我們已經走在了美國的前面。」科大國盾量子公司總裁趙勇在接受媒體採訪時說，「2011年，合肥城域量子通信試驗示範網建成，該網路包括46個節點，是當時世界上首個規模化量子通信網路；2013年，濟南量子通信試驗網建成，該網路包括56個節點、90多個用戶，面向完全承載實際應用、量子網路運維和優質的用戶體驗，是目前世界上最大的城域量子通信網路；目前在建的京滬幹線項目，計劃於2016年底建成連接北京、濟南、合肥、上海等城域網路且全長2000多公里的量子保密通信線路，其將成為全球首個也是距離最遠的廣域光纖量子保密通信骨幹線路。可以說，中國在量子通信產業化方面，正在國際上擔當領跑者的角色。」
未來5年，
量子通信或能服務普通消費者
中科院預計到2020年，亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發將實現，屆時連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網也將建成。2030年左右，中國將建成全球化的廣域量子通信網路。
目前中國建成的城域量子通信網路數量和長度均領先全球，它將率先在專網通信領域應用，用於數據傳輸和存儲，主要客戶為政府、軍隊和金融機構，未來將逐漸在公網和雲安全等領域運用。據估計，未來5年，量子通信的市場規模有望達到100億元以上。2017年中國專網通信市場預計將達169億元，其中量子通信佔據35億元以上。
還有媒體預計，2019年前後，量子通信將會服務於消費者的網上轉款和支付。全國性的組網建設將由運營商主導，量子網路標準將建立。2023年有望建成全國量子通信網。最終，量子通信模塊被集成進信息產業的基礎設施。
據報道，繼京滬幹線成功示範後，中國第一條量子通信商用幹線「滬杭幹線」預計將於今年9月竣工。
2030年，
建成全球化廣域量子通信網路
其實，在自由空間量子通信領域，潘建偉的競爭對手之一，就是他曾經的導師，奧地利科學院院長、物理學教授安東·蔡林格（Anton Zeilinger）。
從糾纏光子分發到量子隱形傳態，中國團隊和奧地利團隊不斷競爭，立下一個又一個里程碑。
蔡林格研究組同樣一直在和歐洲空間局商討建立量子衛星計劃。但是，「它的運行機制太慢了，以至於沒有做出任何決策」。
「墨子號」發射成功，中國團隊在量子太空競賽中，已經領先一步。
現在，潘建偉和蔡林格團隊有了一個共同目標——在北京和維也納之間生成和共享一個安全的量子密鑰。
量子密鑰，即發送方和接收方採用單光子狀態作為信息載體來建立的密鑰。單光子不可分割、不可複製，也無法被精確地測量。無論現在還是將來，無論破譯者掌握怎樣先進的竊聽技術，基於量子力學原理而建立的密鑰，不可能被破解。
這就是「絕對安全」。量子通信被視為保障未來信息社會通信安全的重要技術基礎。
「隨著中國科技的迅猛發展，我相信量子通信將在不到10年時間裡輻射千家萬戶。期盼在我有生之年，能親眼目睹以量子計算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯網的誕生。」潘建偉說，「相信我國科學家做得到。」
奧地利的研究團隊同樣投入熱情，加入這場新的國際合作。蔡林格說：「我的一個學生正開始學習漢語。」他希望，此次量子科學實驗衛星項目，能夠為兩個大陸之間，建立起第一個量子通信連接。
這樣的通信連接，還會有更多。
潘建偉說，從量子衛星到地面跨度為500公里，地面站之間相距1200公里，據他所知，這是國際上跨度最大的單個實驗室。
他所說的地面站，是量子衛星科學應用系統的一部分。這個系統的配置為：1個中心——合肥量子科學實驗中心；4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站；1個平台——阿里量子隱形傳態實驗平台。
衛星的成功發射，並不意味著團隊可以稍事休息，這條征途沒有盡頭。潘建偉心中的時間表，也已經排到了2030年。
「單顆低軌衛星無法覆蓋全球，同時由於強烈的太陽光背景，目前的星地量子通信只能在地影區進行。要實現高效的全球化量子通信，還需要形成一個衛星網路。」潘建偉強調。
接下來，團隊還要開展空間站「量子調控與光傳輸研究」項目。該項目將研究星間量子通信技術、全天時量子通信技術等，同時進行量子密鑰組網應用、多種技術體制的空間激光通信驗證、量子密鑰分發與激光通信複合的加密信息傳輸系統等應用研究，為下一步的衛星組網奠定技術基礎。
「如果進展順利，國家也支持發射多顆量子通信衛星，那麼有希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通信網路。」潘建偉說。
作者：高博 張蓋倫
（部分內容由中科院科學傳播局提供材料）
編輯：王冠
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