量子通信： 架起天地一體萬里通信網(wǎng)

  ICC訊 全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋我國(guó)四省三市32個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括北京、濟(jì)南、合肥和上海4個(gè)量子城域網(wǎng)，通過兩個(gè)衛(wèi)星地面站與“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)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。

  遨游在太空的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，如今有了屬于自己的“正式名稱”。2020年9月11日，國(guó)家重大文化工程《辭海》（第七版）正式對(duì)外發(fā)布，本次新增內(nèi)容中添加了“量子通信”“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”等詞條。

  2016年8月16日1時(shí)40分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空。為了這一天，中國(guó)的量子物理學(xué)家們，已經(jīng)準(zhǔn)備了10多年。

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖

  把量子實(shí)驗(yàn)室“搬”上太空

  “墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的誕生，源于我國(guó)“構(gòu)建全球范圍量子通信網(wǎng)”的科學(xué)愿景。

  “把量子實(shí)驗(yàn)室‘搬’上太空的設(shè)想，10多年前就已被提出?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉說。

  早在2003年，潘建偉團(tuán)隊(duì)就開始探索在自由空間實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信，提出了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的方案。在自由空間，環(huán)境對(duì)光量子態(tài)的干擾效應(yīng)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(yuǎn)距離傳輸方面更具優(yōu)勢(shì)。

  2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)首先在合肥實(shí)現(xiàn)距離達(dá)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(yàn)在國(guó)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(yīng)用于高效、安全的量子通信，該實(shí)驗(yàn)為后續(xù)的自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

  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(tuán)隊(duì)。安東·蔡林格團(tuán)隊(duì)1997年在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證，他們?cè)?004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(tuán)隊(duì)擔(dān)任研究骨干。

  2001年，潘建偉學(xué)成回國(guó)，在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)建立起中國(guó)的量子物理實(shí)驗(yàn)室。在那之后，這對(duì)師徒既是合作伙伴又是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，正式開始了攀登量子通信技術(shù)高峰的競(jìng)賽。

  相比于安東·蔡林格團(tuán)隊(duì)，潘建偉團(tuán)隊(duì)的進(jìn)度更快，并逐步實(shí)現(xiàn)了從并跑到小幅度領(lǐng)先的超越。

  2010年，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)當(dāng)時(shí)世界上最遠(yuǎn)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，為未來基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網(wǎng)奠定了可靠基礎(chǔ)。為了這次實(shí)驗(yàn)，潘建偉團(tuán)隊(duì)從2007年開始在北京八達(dá)嶺與河北懷來之間架設(shè)了一條長(zhǎng)達(dá)16公里的自由空間量子信道。

  隨后，潘建偉團(tuán)隊(duì)在青海湖地區(qū)新建實(shí)驗(yàn)基地，開展驗(yàn)證星地自由空間量子通信可行性的地基實(shí)驗(yàn)研究，從多個(gè)方面進(jìn)行攻關(guān)，旨在突破基于衛(wèi)星平臺(tái)自由空間量子通信的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，并在2012年實(shí)現(xiàn)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(duì)星地量子通信可行性進(jìn)行了全方位地面驗(yàn)證。

  在這場(chǎng)量子學(xué)革命的科學(xué)競(jìng)賽中，多個(gè)“世界首次”“世界首個(gè)”均來自于由潘建偉領(lǐng)銜的“中國(guó)隊(duì)”：在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)、實(shí)現(xiàn)國(guó)際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)、建成世界首個(gè)規(guī)?；?A href="http://3xchallenge.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e9%87%8f%e5%ad%90&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">量子通信網(wǎng)絡(luò)……“這標(biāo)志著中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國(guó)家逐步發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先歐洲和北美。”國(guó)際權(quán)威期刊《自然》雜志曾如此感嘆。

  中國(guó)團(tuán)隊(duì)的這些研究工作，證明了實(shí)現(xiàn)基于衛(wèi)星的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)和開展空間尺度量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)的可行性。

  挑戰(zhàn)世界最高難度

  2010年3月31日，我國(guó)國(guó)務(wù)院第105次常務(wù)會(huì)議審議通過了中國(guó)科學(xué)院“創(chuàng)新2020”規(guī)劃，要求中國(guó)科學(xué)院“組織實(shí)施戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，形成重大創(chuàng)新突破和集群優(yōu)勢(shì)”。

  2011年1月25日，中國(guó)科學(xué)院實(shí)施啟動(dòng)首批“4+1”個(gè)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，其中就包括空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)?？臻g科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)第一批確定研發(fā)包括“墨子號(hào)”在內(nèi)的四顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。另外三顆分別為暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星“悟空”、我國(guó)首顆微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“實(shí)踐十號(hào)”和硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“慧眼”。

  “工程師的任務(wù)是技術(shù)實(shí)現(xiàn)，要把科學(xué)家的夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)?！?A href="http://3xchallenge.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e9%87%8f%e5%ad%90&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">量子衛(wèi)星工程常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說，2011年量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”項(xiàng)目正式立項(xiàng)后，更高難度的挑戰(zhàn)開始了。

  量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是我國(guó)自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備，突破了一系列高精尖技術(shù)，包括“針尖對(duì)麥芒”的星地光路對(duì)準(zhǔn)，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年就開始參與量子衛(wèi)星的研究工作。他是中國(guó)科學(xué)院上海分院的副院長(zhǎng)、原中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所所長(zhǎng)，作為光學(xué)遙感系統(tǒng)專家，他的團(tuán)隊(duì)與潘建偉團(tuán)隊(duì)合作，在遼闊美麗的青海湖畔實(shí)現(xiàn)了百公里級(jí)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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(shè)備的蛾子。其中有位女研究生，從看見蛾子就害怕，到后來變成一邊做實(shí)驗(yàn)一邊面不改色地把蛾子一只只拍死的“殺手”。

  “以前做衛(wèi)星，多少能找到參考資料，但這個(gè)量子衛(wèi)星的工作，屬國(guó)際首次，完全沒有參考?！蓖踅ㄓ钫J(rèn)為，最困難的環(huán)節(jié)就是實(shí)現(xiàn)天地一體化聯(lián)通。

  按潘建偉等科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，“墨子號(hào)”不僅是天上的那顆衛(wèi)星，它還包括地面系統(tǒng)：1個(gè)中心——合肥量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(tái)——阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。衛(wèi)星和地面站之間，要做到最高精度的瞄準(zhǔn)和最靈敏的探測(cè)。

  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(cè)器才能探測(cè)到；它的數(shù)量又非常多，“墨子號(hào)”衛(wèi)星每秒能分發(fā)1億光量子；此外，它還姿態(tài)萬千，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(yàn)就相當(dāng)于要在萬米高空飛行的飛機(jī)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(zhuǎn)的儲(chǔ)錢罐里（偏振測(cè)量的基矢在變化），這不但要求硬幣擊中儲(chǔ)錢罐（瞄準(zhǔn)精度），而且要求硬幣準(zhǔn)確射入罐子上細(xì)長(zhǎng)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(duì)上接收站的“麥芒”，王建宇團(tuán)隊(duì)與潘建偉團(tuán)隊(duì)一道，從2012年起開始進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)：收發(fā)距離40公里的轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，要與衛(wèi)星繞地運(yùn)行的角速度一致；30公里距離的車載高速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，要考驗(yàn)超遠(yuǎn)距離“移動(dòng)瞄靶”能力；熱氣球浮空平臺(tái)實(shí)驗(yàn)，在空地環(huán)境下模擬量子密鑰分發(fā)……

  這么困難的“針尖”對(duì)“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(wèi)星的初樣完成了。

  構(gòu)建首個(gè)星地量子通信網(wǎng)

  32年前，人類歷史上首次量子通信在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了，傳輸距離32厘米。而今，中國(guó)人將這個(gè)距離擴(kuò)展了1400多萬倍，實(shí)現(xiàn)了從地面到太空的多用戶通信。

  2021年1月7日，國(guó)際頂級(jí)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)，標(biāo)志著我國(guó)已構(gòu)建出天地一體化廣域量子通信網(wǎng)雛形。

  20年磨一劍，中國(guó)在量子通信域?qū)崿F(xiàn)了從跟跑到領(lǐng)跑：量子保密通信京滬干線總長(zhǎng)超過2000公里，是目前世界上最遠(yuǎn)距離的基于可信中繼方案的量子安全密鑰分發(fā)干線，該線路已于2017年9月底正式開通。“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星于2016年8月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，圓滿完成了預(yù)定的全部科學(xué)目標(biāo)。

  “墨子號(hào)”牽手“京滬干線”，中國(guó)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(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、濟(jì)南量子技術(shù)研究院及中國(guó)有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司合作，構(gòu)建了全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)。經(jīng)過為期兩年多的穩(wěn)定性、安全性測(cè)試，該通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了跨越4600公里的多用戶量子密鑰分發(fā)。

  “要實(shí)現(xiàn)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(shù)在光纖里每傳輸約15公里就會(huì)損失一半，200公里后只剩萬分之一?！迸私▊フf，科研團(tuán)隊(duì)在光學(xué)系統(tǒng)等方面發(fā)展了多項(xiàng)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(guó)四省三市32個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括北京、濟(jì)南、合肥和上海4個(gè)量子城域網(wǎng)，通過兩個(gè)衛(wèi)星地面站與“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)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。

  目前，廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形已基本形成，未來在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步推動(dòng)量子通信在金融、政務(wù)、國(guó)防、電子信息等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

  《自然》雜志審稿人對(duì)此評(píng)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，為未來實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的“量子網(wǎng)”奠定科技基礎(chǔ)，也為相對(duì)論、引力波等科學(xué)研究，提供了前所未有的“天地實(shí)驗(yàn)室”。