示意圖 衛(wèi)星發(fā)出一對(duì)糾纏光子，兩個(gè)站同時(shí)收到。
經(jīng)過十三年準(zhǔn)備，“墨子號(hào)”終于成功升空。
“墨子號(hào)”是世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院院士潘建偉說，給它起名“墨子”，是因?yàn)槟邮紫韧ㄟ^小孔成像實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(wèi)星于凌晨發(fā)射至高度為500公里的預(yù)定軌道。半夜發(fā)射一顆太陽同步衛(wèi)星，是為了保證它每次飛過中國上空都在夜間，夜間試驗(yàn)可以規(guī)避光線干擾。
那么，量子衛(wèi)星的前世今生是什么？它是否會(huì)成為世界量子通信研究領(lǐng)域最亮的“星”？
量子衛(wèi)星設(shè)想由來已久
“2003年，我們想到，為了真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通訊，可能需要衛(wèi)星?！?月15日，東風(fēng)航天城的東風(fēng)賓館，潘建偉面對(duì)媒體回憶起量子衛(wèi)星想法的誕生。
那時(shí)，距離潘建偉在中國建立第一個(gè)光量子操縱實(shí)驗(yàn)室，僅僅兩年。
量子有許多神奇的特性，其中之一就是“糾纏”。對(duì)處于糾纏態(tài)的其中一個(gè)粒子進(jìn)行操作，會(huì)影響到另一個(gè)粒子。不管這兩個(gè)粒子相距多遠(yuǎn)，他們都有著不可思議的“心靈感應(yīng)”。
于是，量子隱形傳態(tài)的概念被提出：關(guān)于一個(gè)量子客體的全部信息在某個(gè)地點(diǎn)被掃描輸入，又能在一個(gè)新的地點(diǎn)重構(gòu)出來。
但是，傳遞處于糾纏態(tài)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(huì)破壞隱形傳態(tài)所必需的精巧的量子關(guān)聯(lián)。比如，糾纏光子通過光纖傳輸，但光纖會(huì)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(shù)水平的10G赫茲理想單光子源和100%探測(cè)效率的理想單光子探測(cè)器，但若要在1000公里光纖中進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子通信，每300年也只能傳輸一個(gè)比特。“因此，要實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)?！?/p>
通過一系列的實(shí)驗(yàn)，量子隱形傳態(tài)的距離紀(jì)錄被中外科學(xué)家一再刷新。
2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)光子穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持。
2007年開始，潘建偉與中科院一些機(jī)構(gòu)合作，做地面驗(yàn)證。2010年，他們論證了發(fā)射衛(wèi)星的可能性；2011年底，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目正式立項(xiàng)。
困難全都得自己解決。
“墨子號(hào)”常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說，他的工作就是幫助科學(xué)家夢(mèng)想成真?！?011年到今天，我們經(jīng)歷了原理樣機(jī)、初樣、正樣幾個(gè)階段的努力。因?yàn)槭菄H上第一顆量子衛(wèi)星，毫無參照。以前有些衛(wèi)星任務(wù)，多少能找到參考，在國際做法的基礎(chǔ)上改進(jìn)。但量子衛(wèi)星的困難全得自己解決。”
王建宇舉了一個(gè)難點(diǎn)：“首先，衛(wèi)星微弱的光發(fā)下來，地面要收到。一千公里遠(yuǎn)，0.7個(gè)角秒，對(duì)不準(zhǔn)不行，而且地面要收到每一個(gè)光子。因?yàn)楣獾木幋a是偏振狀態(tài)，我們不但要收到光子，還要完美檢測(cè)偏振狀態(tài)，才能變成密碼?！?/p>
王建宇打比方說，這就相當(dāng)于人坐在萬米高空的飛機(jī)，向下扔一連串硬幣，要扔進(jìn)一個(gè)慢慢旋轉(zhuǎn)的儲(chǔ)幣罐的縫里。必須瞄準(zhǔn)好，因?yàn)橛矌判绷艘餐恫贿M(jìn)去。而且，“密鑰分發(fā)時(shí)候，每秒鐘要接收1億個(gè)光子。這些光子的次序還不能搞錯(cuò)，搞錯(cuò)就白收了?！蓖踅ㄓ钫f。
接受光子的望遠(yuǎn)鏡的靈敏度，相當(dāng)于月球上劃一根火柴，地球上就要測(cè)到。而潘建偉則比作：在地球上能看清木星衛(wèi)星上的車牌號(hào)。
“衛(wèi)星上發(fā)出一對(duì)糾纏光子，要兩個(gè)站同時(shí)收到，國際上從未做過。”王建宇說，“美國人做過一個(gè)點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。他們是強(qiáng)光通信，要用強(qiáng)光引導(dǎo)。我們是弱光通信，用5種光，還要區(qū)分出來?！?/p>
潘建偉坦言，衛(wèi)星研制過程中，遇到了各種難題，很難說哪個(gè)困難最大。他透露，在衛(wèi)星設(shè)計(jì)過程中，他們也有過重要的調(diào)整。“宇宙中有很多高能粒子，我們的衛(wèi)星要接受地面信號(hào)，需要紅外探測(cè)器在宇宙環(huán)境中，單光子水平下長(zhǎng)時(shí)間工作。西歐給出的測(cè)試報(bào)告，說探測(cè)器可以經(jīng)受高能粒子打擊。結(jié)果我們?nèi)ヲ?yàn)證，1個(gè)星期探測(cè)器就被打壞了。于是，我們就想將軌道搞低一點(diǎn)，避開高能粒子，但作用有限。后來我們又用了一種辦法，讓探測(cè)器即使身處高能粒子打擊下，還能工作1年以上?！?/p>
建立跨大陸的量子通信連接
其實(shí)，在自由空間量子通信領(lǐng)域，潘建偉的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之一，就是他曾經(jīng)的導(dǎo)師，奧地利科學(xué)院院長(zhǎng)、物理學(xué)教授安東·蔡林格（Anton Zeilinger）。
從糾纏光子分發(fā)到量子隱形傳態(tài)，中國團(tuán)隊(duì)和奧地利團(tuán)隊(duì)不斷競(jìng)爭(zhēng)，立下一個(gè)又一個(gè)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(wèi)星計(jì)劃。但是，“它的運(yùn)行機(jī)制太慢了，以至于沒有做出任何決策”。
“墨子號(hào)”發(fā)射成功，中國團(tuán)隊(duì)在量子太空競(jìng)賽中，已經(jīng)領(lǐng)先一步。
現(xiàn)在，潘建偉和蔡林格團(tuán)隊(duì)有了一個(gè)共同目標(biāo)——在北京和維也納之間生成和共享一個(gè)安全的量子密鑰。
量子密鑰，即發(fā)送方和接收方采用單光子狀態(tài)作為信息載體來建立的密鑰。單光子不可分割、不可復(fù)制，也無法被精確地測(cè)量。無論現(xiàn)在還是將來，無論破譯者掌握怎樣先進(jìn)的竊聽技術(shù)，基于量子力學(xué)原理而建立的密鑰，不可能被破解。
這就是“絕對(duì)安全”。量子通信被視為保障未來信息社會(huì)通信安全的重要技術(shù)基礎(chǔ)。
“隨著中國科技的迅猛發(fā)展，我相信量子通信將在不到10年時(shí)間里輻射千家萬戶。期盼在我有生之年，能親眼目睹以量子計(jì)算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯(lián)網(wǎng)的誕生。”潘建偉說，“相信我國科學(xué)家做得到?！?/p>
奧地利的研究團(tuán)隊(duì)同樣投入熱情，加入這場(chǎng)新的國際合作。蔡林格說：“我的一個(gè)學(xué)生正開始學(xué)習(xí)漢語?！彼Ｍ舜瘟孔涌茖W(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目，能夠?yàn)閮蓚€(gè)大陸之間，建立起第一個(gè)量子通信連接。
2030年，建成全球化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)
這樣的通信連接，還會(huì)有更多。
潘建偉說，從量子衛(wèi)星到地面跨度為500公里，地面站之間相距1200公里，據(jù)他所知，這是國際上跨度最大的單個(gè)實(shí)驗(yàn)室。
他所說的地面站，是量子衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的一部分。這個(gè)系統(tǒng)的配置為：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)星的成功發(fā)射，并不意味著團(tuán)隊(duì)可以稍事休息，這條征途沒有盡頭。潘建偉心中的時(shí)間表，也已經(jīng)排到了2030年。
“單顆低軌衛(wèi)星無法覆蓋全球，同時(shí)由于強(qiáng)烈的太陽光背景，目前的星地量子通信只能在地影區(qū)進(jìn)行。要實(shí)現(xiàn)高效的全球化量子通信，還需要形成一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)?！迸私▊?qiáng)調(diào)。
接下來，團(tuán)隊(duì)還要開展空間站“量子調(diào)控與光傳輸研究”項(xiàng)目。該項(xiàng)目將研究星間量子通信技術(shù)、全天時(shí)量子通信技術(shù)等，同時(shí)進(jìn)行量子密鑰組網(wǎng)應(yīng)用、多種技術(shù)體制的空間激光通信驗(yàn)證、量子密鑰分發(fā)與激光通信復(fù)合的加密信息傳輸系統(tǒng)等應(yīng)用研究，為下一步的衛(wèi)星組網(wǎng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
“如果進(jìn)展順利，國家也支持發(fā)射多顆量子通信衛(wèi)星，那么有希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)?！迸私▊フf。
