2016年8月16日1時(shí)40分，長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心第29次發(fā)射并搭載了全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，成功將它運(yùn)載的人造衛(wèi)星送入了預(yù)定軌道。那么，量子通信是什么？量子衛(wèi)星升空的意義在哪？

　　量子通信的發(fā)展

　　量子通信系統(tǒng)的問世，點(diǎn)燃了建造“絕對(duì)安全”通信系統(tǒng)的希望。當(dāng)前，量子通信的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)成為各個(gè)大國(guó)爭(zhēng)相追逐的目標(biāo)。

　　在量子通信的國(guó)際賽跑中，中國(guó)屬于后來者。經(jīng)過多年的努力，中國(guó)已經(jīng)躋身于國(guó)際一流的量子信息研究行列，在城域量子通信技術(shù)方面也走在了世界前列，建設(shè)完成合肥、濟(jì)南等規(guī)?；孔油ㄐ懦怯蚓W(wǎng)，“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)也即將竣工。

　　然而，這只是開始。“在城市范圍內(nèi)，通過光纖構(gòu)建城域量子通信網(wǎng)絡(luò)是最佳方案。但要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離甚至全球量子通信，僅依靠光纖量子通信技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。” 量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士說。

　　他解釋說，因?yàn)榱孔拥男畔y帶者光子在光纖里傳播一百公里之后大約只有1‰的信號(hào)可以到達(dá)最后的接收站，所以光纖量子通信達(dá)到百公里量級(jí)就很難再突破。但光子穿透整個(gè)大氣層后卻可以保留80%左右，再利用衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)地面上相距數(shù)千公里甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信。

　　另外，誕生百年的量子理論的奇妙之處在實(shí)驗(yàn)室里被不斷重復(fù)檢驗(yàn)，但卻從未在太空尺度驗(yàn)證過。量子理論的各種奇異現(xiàn)象在太空中是否還存在？量子糾纏和隱形傳輸是否可以延伸到星地之間？這些都需要衛(wèi)星去驗(yàn)證。

　　2011年，中科院正式啟動(dòng)全球首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”的研制，這既意味著中國(guó)科學(xué)家率先向星地量子通信發(fā)起挑戰(zhàn)，更意味著中國(guó)或?qū)㈩I(lǐng)先歐美獲得量子通信覆蓋全球的能力。

　　關(guān)于量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”

　　“墨子號(hào)”是中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)首批實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一，主要科學(xué)目標(biāo)是星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上實(shí)驗(yàn)廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)，以期空間量子通信實(shí)用化;它將在太空中分發(fā)糾纏光子，實(shí)驗(yàn)量子隱形傳態(tài)，并檢驗(yàn)空間尺度的量子力學(xué)完備性。

　　量子衛(wèi)星最初的構(gòu)想始于十幾年前，2001年，31歲的潘建偉從歐洲回國(guó)，在中科大組建了量子信息實(shí)驗(yàn)室。2003年，當(dāng)大多數(shù)人仍致力于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的原理性演示時(shí)，潘建偉和同事們已經(jīng)萌生了“天地一體化”量子通信網(wǎng)的初步構(gòu)想，“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正是這個(gè)構(gòu)想中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

　　圍繞這一遠(yuǎn)景目標(biāo)，潘建偉團(tuán)隊(duì)開始了十余年的技術(shù)積累。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在自由空間量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)等方面不斷取得國(guó)際領(lǐng)先的突破性成果。

　　2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上第一次實(shí)現(xiàn)13公里自由空間量子通信實(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，從而驗(yàn)證了星地量子通信的可行性。

　　隨后，他們又不斷創(chuàng)造“傳奇”：16公里自由空間量子隱形傳態(tài)、百公里級(jí)自由空間量子通信、星地量子通信的全方位地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)……為星地量子通信打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　潘建偉說，“墨子號(hào)”發(fā)射以后，如果效果達(dá)到預(yù)期，下一步還計(jì)劃發(fā)射“墨子二號(hào)”“墨子三號(hào)”?！皢晤w低軌衛(wèi)星無法覆蓋全球，同時(shí)由于強(qiáng)烈的太陽(yáng)光背景，目前的星地量子通信只能在夜間進(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)?！?/p>

　　未來，一個(gè)由幾十顆量子衛(wèi)星組成的“璀璨星群”，將與地面量子通信干線“攜手”，支撐起“天地一體”的量子通信網(wǎng)。

　　到2030年左右，中國(guó)力爭(zhēng)率先建成全球化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建信息充分安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，形成完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈和下一代國(guó)家主權(quán)信息安全生態(tài)系統(tǒng)。

　　墨子號(hào)“四種武器”挑戰(zhàn)四大實(shí)驗(yàn)任務(wù)

　　目前，國(guó)際上還沒有一個(gè)國(guó)家將量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)送入空間，量子衛(wèi)星的研制沒有任何經(jīng)驗(yàn)可循，過程充滿了困難和挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家在墨子號(hào)量子衛(wèi)星上搭載了自主研發(fā)的“四種武器”：量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源和量子試驗(yàn)控制與處理機(jī)。

　　同時(shí)，在地面建設(shè)了科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，包括1個(gè)中心——合肥量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心；4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)星與地面站共同構(gòu)成天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在兩年的設(shè)計(jì)壽命期間將進(jìn)行四大實(shí)驗(yàn)任務(wù)——星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)、地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。

　　潘建偉介紹，實(shí)驗(yàn)大致分為三類：第一類是進(jìn)行衛(wèi)星和地面之間的量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)天地之間的安全通信，如果4個(gè)地面站任何兩兩之間都可以實(shí)現(xiàn)安全的通訊，即可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)；第二類相當(dāng)于把量子實(shí)驗(yàn)室搬到太空，在空間尺度檢驗(yàn)量子理論；第三類是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面千公里量級(jí)的量子態(tài)隱形傳輸。

　　天地量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)非常復(fù)雜，對(duì)天地實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求也異乎尋常的高。潘建偉坦言，衛(wèi)星研制過程中，最困難的環(huán)節(jié)就是有效載荷，“攻克了許多技術(shù)難題才拿下”。比如量子糾纏源，它只有機(jī)頂盒的大小，作用卻非常關(guān)鍵，它能夠產(chǎn)生糾纏光，這是量子衛(wèi)星在空中做各種實(shí)驗(yàn)的源頭。平時(shí)實(shí)驗(yàn)室里糾纏源的體積非常巨大，研究人員不僅把它做到了小型化，還通過一系列的創(chuàng)新讓它實(shí)現(xiàn)了滿足空間環(huán)境要求，在國(guó)際上是首次實(shí)現(xiàn)。

　　量子衛(wèi)星系統(tǒng)總師朱振才介紹，量子衛(wèi)星飛行中，攜帶的兩個(gè)激光器要分別瞄準(zhǔn)兩個(gè)相距上千公里的地面站，向左向右同時(shí)傳輸量子密鑰，且衛(wèi)星上的光軸和地面望遠(yuǎn)鏡的光軸要始終精確對(duì)準(zhǔn)，就好比衛(wèi)星上的“針尖”對(duì)地面上的“麥芒”。

　　科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)，考驗(yàn)超遠(yuǎn)距離“移動(dòng)瞄靶”能力，最終突破了星地光路對(duì)準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)，通過平臺(tái)和載荷兩級(jí)控制的方式，對(duì)準(zhǔn)精度可以達(dá)到普通衛(wèi)星的10倍。

　　“激光器一站對(duì)一站有人做過，但一顆衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)地面站國(guó)際上還從來沒有過。如果成功的話，在國(guó)際上也是首次實(shí)現(xiàn)這么高精度的跟蹤和地面站配合。”中科院國(guó)家空間科學(xué)中心主任吳季說。