我國墨子號科研衛星升空開創航天新領域

我國墨子號科研衛星升空開創航天新領域

文|科技迷墨染

墨子號量子科學實驗衛星於2016年8月16日1時40分，在酒泉用長征二號丁運載火箭成功發射升空。此次發射任務的圓滿成功，標誌著我國空間科學研究又邁出重要一步。中國量子衛星首席科學家潘建偉院士介紹，如果說地面量子通信構建了一張連接每個城市、每個信息傳輸點的「網」，那麼量子科學實驗衛星就像一桿將這張網射向太空的「標槍」。當這張縱橫寰宇的量子通信「天地網」織就，海量信息將在其中來去如影，並且「無條件」安全。2017年1月18日，中國發射的世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」圓滿完成了4個月的在軌測試任務，正式交付用戶單位使用。中國科學技術大學、中科院等單位相關領導在交付使用證書上簽字。

量子保密通信技術已經從實驗室演示走向產業化。在城市裡，通過光纖建構的城域量子網路通信已經開始嘗試實際應用，我國在城域光纖量子通信方面已取得了國際領先的地位。在量子通信的國際賽跑中，中國屬於後來者。經過多年的努力，中國已經躋身於國際一流的量子信息研究行列，在城域量子通信技術方面也走在了世界前列，建設完成合肥、濟南等規模化量子通城域網，「京滬幹線」大尺度光纖量子通信骨幹網也即將竣工。然而，這只是開始。「在城市範圍內，通過光纖構建城域量子通信網路是最佳方案。但要實現遠距離甚至全球量子通信，僅依靠光纖量子通信技術是遠遠不夠的。」潘建偉說。量子保密通信，能夠從三個方面保障信息安全。第一，發送者和接收者之間的信息交互是安全的，不會被竊聽或盜取。第二，「主僕」身份能夠自動確認，只有主人才能夠使喚「僕人」，而其他人無法指揮「僕人」。第三，一旦發送者和接收者之間的傳遞口令被惡意篡改，使用者會立刻知曉，從而重新發送和接收指令。

原來，用量子通信方式傳遞信息，傳送的是光的最小能量單元。但這種最小的顆粒，不能再被分割，也不能複製。即使採用目前最先進的理想單光子探測器，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。「就好比一支擁有100萬人的隊伍，到最後可能只剩下幾個人，花了很長時間才能抵達目的地。」這種受制於光纖，不能放大量子通信信號的問題，導致了在遠距離上信息傳遞效率很低，令科學家們一籌莫展。雖然通過量子中繼手段，即分成若干段傳輸來降低每一段的損耗，用「量子接力」的方式解決這一難題，但走向實際應用還需時日。後來，科學家意識到，真空里不會有光的損耗，想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。

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，證明光子穿透大氣層後，其量子態能夠有效保持，從而驗證了星地量子通信的可行性。近幾年開展的一系列後續實驗都為發射量子衛星奠定了技術基礎。墨子號量子科學實驗衛星「這樣一來，通過發射衛星，去除干擾因素，就可以實現幾千公里的量子通信。」潘建偉說，有了量子衛星，還可以在宏觀距離上檢驗所謂的量子力學的非局域性，也就是「幽靈般的超距作用」。「看看在實驗室里不斷被重複檢驗的理論，放在太空是否還能實現。」首顆量子通信衛星以我國古代科學家墨子的名字來命名。墨子最早提出過光線沿直線傳播的觀點，進行了小孔成像實驗。用他的名字命名以紀念他在早期物理光學方面的成就。墨子號量子科學實驗衛星墨子最早通過小孔成像實驗發現了光是直線傳播的，第一次對光直線傳播進行了科學解釋——這在光學中是非常重要的一條原理，為量子通信的發展打下了一定的基礎。墨子還提出了某種意義上的粒子論。光量子學實驗衛星以中國科學家先賢墨子來命名，體現了中國的文化自信。

量子衛星是中國科學院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一，其主要科學目標一是藉助衛星平台，進行星地高速量子密鑰分發實驗，並在此基礎上進行廣域量子密鑰網路實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；二是在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。墨子號量子科學實驗衛星，墨子號在未來兩年將在世界上首次開展四項實驗任務以達成兩大科學目標：進行經由衛星中繼的「星地高速量子密鑰分發實驗」，並在此基礎上進行「廣域量子通信網路實驗」，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破。

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