2016年8月16日，由我國科學(xué)家自主研制的世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星成功發(fā)射，瞄準(zhǔn)了量子研究領(lǐng)域最前沿的三大科學(xué)目標(biāo)。2017年8月10日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊宣布，全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”圓滿完成了三大科學(xué)實驗任務(wù)：量子糾纏分發(fā)、量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)。

　　被稱為“幽靈粒子”的量子，是指構(gòu)成物質(zhì)的最小單元，分子、原子、光子等微觀粒子都是量子的表現(xiàn)形態(tài)。由于量子具有疊加和糾纏等很多神奇特性，量子理論已經(jīng)催生了很多革命性的技術(shù)，比如晶體管、激光器，甚至最前沿的量子通信和量子計算，而量子科學(xué)研究也成為國際最前沿的探索領(lǐng)域。經(jīng)過十多年研究部署，中國科學(xué)院潘建偉研究團隊聯(lián)合國內(nèi)多家科研機構(gòu)，在去年成功發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，引起了國內(nèi)外廣泛關(guān)注和高度評價。在軌運行僅一年時間，“墨子號”就提前完成了全部預(yù)先設(shè)定的三大科學(xué)目標(biāo)，為我國繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

　　量子糾纏分發(fā)

　　2017年6月16日，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星在國際上率先成功實現(xiàn)了千公里級的星地雙向量子糾纏分發(fā)，并于此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了空間尺度下嚴(yán)格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗，在空間量子物理研究方面取得重大突破。

　　量子糾纏被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”，它是兩個或多個粒子共同組成的量子狀態(tài)，無論粒子之間相隔多遠，測量其中一個粒子必然會影響其他粒子，這被稱為量子力學(xué)非定域性。

　　量子糾纏所體現(xiàn)的非定域性是量子力學(xué)最神奇的現(xiàn)象之一，但由于量子糾纏非常脆弱，會隨著光子在光纖內(nèi)或者地表大氣中的傳輸距離而衰減，以往國際學(xué)界的量子糾纏分發(fā)實驗只停留在百公里的距離。

　　量子糾纏“鬼魅般的超距作用”在更遠的距離上是否仍然存在?會不會受到引力等其他因素的影響?中科大潘建偉等人組成的團隊聯(lián)合中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國家天文臺、紫金山天文臺、國家空間科學(xué)中心等，利用“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星進行了實驗驗證。

　　“墨子號”衛(wèi)星過境時，同時與青海德令哈站和云南麗江站兩個地面站建立光鏈路，以每秒1對的速度在地面超過1200公里的兩個站之間建立量子糾纏。在關(guān)閉局域性漏洞和測量選擇漏洞的條件下，獲得的實驗結(jié)果以4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差違背了貝爾不等式，即在千公里的空間尺度上實現(xiàn)了嚴(yán)格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗。

　　這一重要成果為未來開展大尺度量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信實驗研究以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學(xué)基本原理的實驗檢驗奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　量子密鑰分發(fā)

　　通信安全是國家信息安全和人類經(jīng)濟社會生活的基本需求。千百年來，人們對于通信安全的追求從未停止。然而，基于計算復(fù)雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù)，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數(shù)學(xué)和計算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。與經(jīng)典通信不同，量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。
[page]

星地量子密鑰分發(fā)實驗示意圖

“墨子號”-興隆地面站量子密鑰分發(fā)實驗現(xiàn)場圖

　　量子密鑰分發(fā)實驗采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號，地面接收的方式，“墨子號”量子衛(wèi)星過境時，與河北興隆地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。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個數(shù)量級(萬億億倍)。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300 kbit的安全密鑰，平均成碼率可達1.1 kbps。這一重要成果為構(gòu)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(chǔ)。以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實現(xiàn)地球上任意兩點的密鑰共享，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)(如合肥量子通信網(wǎng)、濟南量子通信網(wǎng)、京滬干線)互聯(lián)，可以構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò)。

　　為此，《自然》雜志的審稿人稱贊星地量子密鑰分發(fā)成果是 “令人欽佩的成就”和“本領(lǐng)域的一個里程碑”，并斷言“毫無疑問將引起量子信息、空間科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家和普通大眾的高度興趣，并導(dǎo)致公眾媒體極為廣泛的報道”。

　　量子隱形傳態(tài)

　　量子隱形傳態(tài)利用量子糾纏將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠地點，將其攜帶的信息傳遞給對方，無需傳送物質(zhì)本身。它采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式， “墨子號”量子衛(wèi)星過境時，與海拔5100m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產(chǎn)生8000個量子隱形傳態(tài)事例，地面向衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，實驗通信距離從500公里到1400公里，所有6個待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。假設(shè)在同樣長度的光纖中重復(fù)這一工作，需要3800億年(宇宙年齡的20倍)才能觀測到1個事例。這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究，以及空間量子物理學(xué)和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

量子隱形傳態(tài)實驗示意圖

“墨子號”阿里地面站量子隱形傳態(tài)實驗現(xiàn)場圖

　　《自然》雜志審稿人稱贊“這些結(jié)果代表了遠距離量子通信持續(xù)探索中的重大突破”, “這個目標(biāo)非常新穎并極具挑戰(zhàn)性，它代表了量子通信方案現(xiàn)實實現(xiàn)中的重大進步”。

　　隨著“墨子號”的全部既定科學(xué)目標(biāo)提前完成，這個項目畫上了一個圓滿句號，也開啟了全球化量子通信、空間量子物理學(xué)和量子引力實驗檢驗的大門。

　　潘建偉介紹，他的研究團隊正與歐洲量子通信團隊合作進行洲際量子密鑰分發(fā)，目前已順利完成和奧地利格拉茨地面站的對接測試，正在開展量子密鑰分發(fā)實驗，即將具備洲際量子保密通話的條件。德國、意大利等國的科研團隊也申請加入。同時，研究團隊正在致力實現(xiàn)量子通信與經(jīng)典光通信相融合的安全信息傳輸。換句話說，就是讓量子保密技術(shù)與目前使用的傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)無縫鏈接。

　　未來的目標(biāo)還有很多：構(gòu)建完整的空地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系，形成具有國際引領(lǐng)地位的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和下一代國家信息安全生態(tài)系統(tǒng)，探索對廣義相對論、量子引力等物理學(xué)基本原理的檢驗……

　　“墨子號”取得的系列成果，贏得巨大國際聲譽，聚合效應(yīng)已經(jīng)顯現(xiàn)。“標(biāo)志著我國在量子通信領(lǐng)域的研究，在國際上達到全面領(lǐng)先的優(yōu)勢地位。”中科院院長白春禮評價，為我國在國際上搶占了量子科技創(chuàng)新制高點，成為國際同行的標(biāo)桿，實現(xiàn)了“領(lǐng)跑者”的轉(zhuǎn)變。