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發射升空的量子衛星以及建設在地面的多個地面觀測站，共同組成了前所未有的覆蓋地面和空間的巨大實驗網路。
「墨子號」量子通信衛星作為天地一體化的空間中轉站，其承擔著發射和傳輸光信號的重要任務，如何保證距離地球表面數百公里的光信號能夠順利被地面光學天線接收，潘建偉形象化地解釋道，這其中涉及到的關鍵性實驗技術的難度就好比是「針尖對麥芒」一樣。潘建偉介紹說，由於衛星發射的光信號是極其微弱的單光子級別，在由空間向地面傳輸的過程中會受到許多因素的干擾，比如星光、燈光等都將成為干擾信號傳輸的背景雜訊。此外，衛星的運動速度很快，地面的光學天線必須時刻緊跟衛星的「節奏」才有可能實現信號的準確接收。所以，在「墨子號」量子通信衛星的設計過程中，不僅要克服各種雜訊的干擾保證信號源的穩定，同時還要實現與地面光學天線的準確對接。
儘管是如同「針尖對麥芒」般苛刻的實驗條件，但是在我國科學家的不懈努力下，如此困難的技術難題也依然得到了解決。
被稱為「京滬幹線」的地面量子通信網路，是「天地一體化」量子通信網路的地面組成部分。對於「京滬幹線」的建設原理，潘建偉解釋道：在建設地面量子通信網路的工程中，主要的應用都集中在城市範圍內，將城市之間的城域網連接起來實現城際量子通信非常關鍵。據介紹，目前的技術僅能夠達到點對點百公里量級的量子通信，所以就需要通過建立可信任的中繼站點來起到信息中轉的作用，連接相距數百公里兩個城市的量子通信網路。已經建立起來的北京、濟南、合肥、上海四個量子通信城域網，將在可信中繼的幫助下，通過光纖串聯起來，構成量子通信的「京滬幹線」。
未來還將會在每個城市中建設光學天線接收衛星的信號，這樣，隨著「墨子號」的順利升空，地面的「京滬幹線」與空間的量子衛星共同構成了覆蓋全球的廣域網路，充分利用衛星覆蓋的廣域性和光纖入戶的便利性，從而真正實現「天地一體化」的量子通信。
隨著量子衛星的發射升空和下半年「京滬幹線」的完工，中國的廣域量子通信體系為率先建成全球化的量子通信衛星網路奠定了基礎，人類即將實現全球範圍內衛星和地面間的首次量子通信。「天地一體化」的量子通信網路即將鋪就，歷經 30 余年的量子信息研究也將步入深化應用的時代。未來，量子通信不僅僅只是一種全新的加密通信手段，它將成為新一代信息網路安全解決方案的關鍵技術和日益普遍的電子服務的安全基石，成為保障未來信息社會可信行為的重要基礎之一。也許就在不遠的將來，量子通信技術將如同手機、電腦一般，走入尋常百姓家。千百年來，人類一直渴望實現絕對安全的通信，而量子通信技術就能夠非常完美的實現這一夢想。過去的十年里，「互聯網 +」改變了我們的生活，而現在」量子 +」正在改變互聯網。
尤其是在「墨子號」成功升空之後，中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉作為中國量子通信領域的大咖，對此深有感觸！
潘建偉介紹說，在量子通信技術的研發過程中，單個光量子的製備和探測是主要的兩個技術難題。潘建偉舉了一個非常形象化的例子來解釋這一關鍵技術的難度：一個普通的十五瓦左右的燈泡每秒鐘輻射出的光量子個數可以達到百億億個，想要實現單個光量子的製備就如同在這百億億個光量子發射出來的瞬間捕捉到其中的某一個，技術難度可想而知。單個光子已經是光能量的最小單元，能量是非常微弱的，需要發展出非常精密和高效的單光子探測技術。具備了單個光量子的製備和探測的能力後，我們就可以用來實現安全的量子通信了。量子信息的應用除了實現無條件安全的通信外，還可以帶來計算能力的飛躍，這就需要第二種能力，把一個個的單量子糾纏起來。量子計算機的能力是隨著糾纏粒子數目呈指數增長的，比如有 100 個粒子的糾纏，每個粒子可以處於「0」和「1」的相干疊加，100 個糾纏的粒子就可以同時處於 2 的 100 次方個狀態的疊加，這就相當於同時對 2 的 100 次方個數進行操縱，計算能力就大大提升了。把一個個粒子糾纏起來需要對它們之間的相互作用進行精確的控制，同時還要保證克服環境的干擾。潘建偉團隊通過一種名為「光晶格」的實驗裝置來成功攻克了這一技術難題，而「光晶格」捕捉單個原子的技術原理就如同把雞蛋逐個放入蛋槽的過程，每個光晶格中只能容納一個原子，再人為控制這些原子的相互作用，使得它們糾纏起來。
雖然現在的技術水平已經發展到可以操縱數百個原子，但是想要實現數百個原子之間的量子糾纏態還有很長的路要走。潘建偉解釋說，如果能夠將幾百個原子糾纏在一起，就可以演示量子計算機的基本功能了。
據了解，此次「墨子號」量子通信衛星包含了國際合作任務，並且選擇了奧地利作為首個國際合作夥伴，成為量子通信「夢」開始的地方。在中國科學技術大學學習期間，潘建偉第一次領略到量子世界的奇妙。但隨著研究的深入，他越發意識到量子理論中的各種奇特現象需要更加尖端的實驗技術和條件才能夠得到驗證，而當時國內在這方面還相對落後。於是 1996 年潘建偉來到奧地利因斯布魯克大學，師從奧地利物理學家 Anton Zeilinger 攻讀博士學位。那時 Anton Zeilinger 教授已經建立了量子實驗室，並且是量子物理學領域的國際權威。在這裡，潘建偉和同事們完成了國際上首次實現光子的量子隱形傳態的實驗，這被認為是量子信息實驗領域的開端。此後幾年內，潘建偉和同事們又先後實現了一系列量子信息領域的先驅性實驗，這些寶貴的經歷為以後潘建偉在量子通信領域的突破性貢獻奠定了堅實的基礎。潘建偉對奧地利的特殊感情還不止於此。潘建偉在奧地利求學期間，一直得到了奧地利外交部和學術交流機構的資助。博士畢業後，潘建偉又繼續在維也納大學實驗物理所從事博士後研究，而維也納大學正是薛定諤等量子力學的奠基人工作過的地方，無疑是量子力學的「聖地」之一。所以，當昔日的老師主動提出加入到我國的量子衛星計劃中來的請求後，順理成章地，奧地利就成了量子科學實驗衛星項目的第一個國際合作夥伴。
潘建偉提到，量子科學實驗衛星會向全世界開放，在奧地利之後，德國、義大利、加拿大等國的團隊也主動請求加入。
潘建偉曾經在接受採訪時談到，作為量子通信領域的技術強國，中國正從經典信息技術的跟隨者，轉變成未來信息技術的並跑者乃至領跑者。回顧中國量子通信領域的發展歷程，成績的取得當然離不開先輩科學家們孜孜不倦的奮鬥與拼搏。潘建偉表示，我國在量子通信領域的研究起步較早，在上世紀 90 年代初就有如郭光燦院士、張永德教授等老一輩科學家對該領域發展的密切關注，並且中國科學技術大學已經發表了一些該領域的文章。潘建偉強調說，中國量子通信領域之所以能夠發展到今天這一步，與當時中科院與時俱進的敏銳眼光密切相關。比如，在他 2001 年回國組建實驗室時，一切都是從零開始。當時向中科院申請了 200 萬經費，而當時的中科院基礎局卻撥了 400 萬。在中科院的重視和支持下，實驗室的發展速度非常快，很快就有了一批由中國人完成的量子信息領域的重要成果。在那之後，從 2004 年起，中科院的支持力度又進一步加大。同時，國內其他團隊也發展起來了。從 2005 年的時候，國家的重大研究計劃也開始注意到了量子調控，當時在中科院物理所的於淥院士、南京大學的閔乃本院士等建議下，量子調控成為國家重大研究計劃的內容，到目前這一計劃已經執行了十餘年。正是由於國家的重點扶持，我國的量子通信技術才得以快速發展。近年來，中科院啟動量子衛星項目，國家發改委啟動「京滬幹線」項目，為量子通信技術實現跨越式的發展注入了長足的動力。但同時潘建偉也表示，歐美等國家也相繼啟動了包括量子通信在內的量子專項計劃，政府也給予了大力支持，所以我國在未來能否持續搶佔量子通信領域的領跑地位，還需要不斷創新不斷前進。量子通信是目前為止被驗證過的唯一可提供「信息理論安全」級別的保密通信手段，隨著我國發射全球第一顆量子實驗衛星以及 「京滬幹線」的相繼建成,都將奠定中國在量子通信領域的領跑地位。目前，在量子通信領域，無論是科學研究還是實際應用，我國都已處於世界領先水平，我們也期待著，量子通信從理論到實驗再到實踐的完美蛻變。這個合輯整理了知乎用戶關於量子通訊的專業見解，涵蓋了量子衛星和量子通訊的原理、作用、研究前沿及未來發展等各個方面。更多優質內容期待你的發現，更歡迎一起來分享知識、經驗和見解。 請您繼續閱讀更多來自 知乎日報 的精彩文章:
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