挑戰(zhàn)世界最高難度！中國科學家把量子實驗室“搬”上太空
編者薦語：
《科技日報》在“大國重器”建黨百年特別策劃中，整版報道我國星地一體量子通信事業(yè)。作為中國科大的產(chǎn)業(yè)化平臺，國盾量子為文中多項目提供量子設(shè)備及技術(shù)服務。值此盛世，有所參與，國盾深感榮幸。公司將繼續(xù)秉承“產(chǎn)業(yè)報國”理念，以更好成績獻禮黨和祖國！
◎ 科技日報記者?吳長鋒
遨游在太空的“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，如今有了屬于自己的“正式名稱”。2020年9月11日，國家重大文化工程《辭?！罚ǖ谄甙妫┱綄ν獍l(fā)布，本次新增內(nèi)容中添加了“量子通信”“量子科學實驗衛(wèi)星”等詞條。
2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。為了這一天，中國的量子物理學家們，已經(jīng)準備了10多年。
把量子實驗室“搬”上太空
“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星的誕生，源于我國“構(gòu)建全球范圍量子通信網(wǎng)”的科學愿景。
“把量子實驗室‘搬’上太空的設(shè)想，10多年前就已被提出?！敝袊茖W技術(shù)大學教授、中國科學院院士潘建偉說。
早在2003年，潘建偉團隊就開始探索在自由空間實現(xiàn)更遠距離的量子通信，提出了利用衛(wèi)星實現(xiàn)遠距離量子糾纏分發(fā)的方案。在自由空間，環(huán)境對光量子態(tài)的干擾效應極小，而光量子在穿透大氣層進入外層空間后，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距離傳輸方面更具優(yōu)勢。
2005年，潘建偉團隊首先在合肥實現(xiàn)距離達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，這次實驗在國際上首次證明糾纏光量子在穿透等效于整個大氣層厚度的地面大氣后，糾纏仍然能夠保持，其可被應用于高效、安全的量子通信，該實驗為后續(xù)的自由空間量子通信實驗奠定基礎(chǔ)。
此前，一直走在全球量子通信領(lǐng)域前列的，是奧地利物理學家安東·蔡林格的團隊。安東·蔡林格團隊1997年在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫嶒烌炞C，他們在2004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位期間，曾在安東·蔡林格團隊擔任研究骨干。
2001年，潘建偉學成回國，在中國科學技術(shù)大學建立起中國的量子物理實驗室。在那之后，這對師徒既是合作伙伴又是競爭對手，正式開始了攀登量子通信技術(shù)高峰的競賽。
相比于安東·蔡林格團隊，潘建偉團隊的進度更快，并逐步實現(xiàn)了從并跑到小幅度領(lǐng)先的超越。
2010年，潘建偉團隊成功實現(xiàn)當時世界上最遠距離的16公里量子隱形傳態(tài)，首次證實量子隱形傳態(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)。為了這次實驗，潘建偉團隊從2007年開始在北京八達嶺與河北懷來之間架設(shè)了一條長達16公里的自由空間量子信道。
隨后，潘建偉團隊在青海湖地區(qū)新建實驗基地，開展驗證星地自由空間量子通信可行性的地基實驗研究，從多個方面進行攻關(guān)，旨在突破基于衛(wèi)星平臺自由空間量子通信的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，并在2012年實現(xiàn)全球首個上百公里的自由空間量子隱形傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)，對星地量子通信可行性進行了全方位地面驗證。
在這場量子學革命的科學競賽中，多個“世界首次”“世界首個”均來自于由潘建偉領(lǐng)銜的“中國隊”：在國際上首次實現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)、實現(xiàn)國際上首個全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)、建成世界首個規(guī)模化量子通信網(wǎng)絡(luò)……“這標志著中國在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國家逐步發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先歐洲和北美。”國際權(quán)威期刊《自然》雜志曾如此感嘆。
中國團隊的這些研究工作，證明了實現(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基礎(chǔ)檢驗的可行性。
挑戰(zhàn)世界最高難度
2010年3月31日，我國國務院第105次常務會議審議通過了中國科學院“創(chuàng)新2020”規(guī)劃，要求中國科學院“組織實施戰(zhàn)略性先導科技專項，形成重大創(chuàng)新突破和集群優(yōu)勢”。
2011年1月25日，中國科學院實施啟動首批“4+1”個戰(zhàn)略性先導科技專項，其中就包括空間科學先導專項。空間科學先導專項第一批確定研發(fā)包括“墨子號”在內(nèi)的四顆科學實驗衛(wèi)星。另外三顆分別為暗物質(zhì)探測衛(wèi)星“悟空”、我國首顆微重力科學實驗衛(wèi)星“實踐十號”和硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星“慧眼”。
“工程師的任務是技術(shù)實現(xiàn)，要把科學家的夢想變成現(xiàn)實?！?/span>量子衛(wèi)星工程常務副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說，2011年量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”項目正式立項后，更高難度的挑戰(zhàn)開始了。
量子科學實驗衛(wèi)星是我國自主研發(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“針尖對麥芒”的星地光路對準，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。他是中國科學院上海分院的副院長、原中國科學院上海技術(shù)物理研究所所長，作為光學遙感系統(tǒng)專家，他的團隊與潘建偉團隊合作，在遼闊美麗的青海湖畔實現(xiàn)了百公里級自由空間量子通信。
在2007年至2010年的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，研究團隊將量子密鑰產(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，晚上團隊成員們就睡在帳篷里，同時還不能睡死，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驗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，但這個量子衛(wèi)星的工作，屬國際首次，完全沒有參考。”王建宇認為，最困難的環(huán)節(jié)就是實現(xiàn)天地一體化聯(lián)通。
按潘建偉等科學家的實驗設(shè)計要求，“墨子號”不僅是天上的那顆衛(wèi)星，它還包括地面系統(tǒng)：1個中心——合肥量子科學實驗中心，4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站，1個平臺——阿里量子隱形傳態(tài)實驗平臺。衛(wèi)星和地面站之間，要做到最高精度的瞄準和最靈敏的探測。
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器才能探測到；它的數(shù)量又非常多，“墨子號”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……
王建宇打了個比方：如果把光量子看成一個1元硬幣，星地實驗就相當于要在萬米高空飛行的飛機上，不斷把上億個硬幣一個個投到地面上一個不斷旋轉(zhuǎn)的儲錢罐里（偏振測量的基矢在變化），這不但要求硬幣擊中儲錢罐（瞄準精度），而且要求硬幣準確射入罐子上細長的投幣口（偏振保持）。
為了讓穿越大氣層后光量子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，王建宇團隊與潘建偉團隊一道，從2012年起開始進行了各種實驗：收發(fā)距離40公里的轉(zhuǎn)臺實驗，要與衛(wèi)星繞地運行的角速度一致；30公里距離的車載高速運動實驗，要考驗超遠距離“移動瞄靶”能力；熱氣球浮空平臺實驗，在空地環(huán)境下模擬量子密鑰分發(fā)……
這么困難的“針尖”對“麥芒”，其關(guān)鍵技術(shù)最終被一一攻破，在十幾個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)建首個星地量子通信網(wǎng)
32年前，人類歷史上首次量子通信在實驗室實現(xiàn)了，傳輸距離32厘米。而今，中國人將這個距離擴展了1400多萬倍，實現(xiàn)了從地面到太空的多用戶通信。
2021年1月7日，國際頂級學術(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。中國科學技術(shù)大學宣布，中國科研團隊成功實現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)，標志著我國已構(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超過2000公里，是目前世界上最遠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”量子科學實驗衛(wèi)星于2016年8月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，圓滿完成了預定的全部科學目標。
“墨子號”牽手“京滬干線”，中國科學技術(shù)大學科研人員潘建偉、陳宇翱、彭承志等與中國科學院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、濟南量子技術(shù)研究院及中國有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司合作，構(gòu)建了全球首個星地量子通信網(wǎng)。經(jīng)過為期兩年多的穩(wěn)定性、安全性測試，該通信網(wǎng)實現(xiàn)了跨越4600公里的多用戶量子密鑰分發(fā)。
“要實現(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公里就會損失一半，200公里后只剩萬分之一?！迸私▊フf，科研團隊在光學系統(tǒng)等方面發(fā)展了多項先進技術(shù)，化解了這些難題。
全球首個星地量子通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋我國四省三市32個節(jié)點，包括北京、濟南、合肥和上海4個量子城域網(wǎng)，通過兩個衛(wèi)星地面站與“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星相連，總距離為4600公里，目前已接入金融、電力、政務等行業(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，可進一步推動量子通信在金融、政務、國防、電子信息等領(lǐng)域的廣泛應用。
《自然》雜志審稿人對此評價道，這是地球上最大、最先進的量子密鑰分發(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，為未來實現(xiàn)覆蓋全球的“量子網(wǎng)”奠定科技基礎(chǔ)，也為相對論、引力波等科學研究，提供了前所未有的“天地實驗室”。
親歷者說：
潘建偉：給量子科學實驗衛(wèi)星取名“墨子”是為展現(xiàn)我國科研自信
◎科技日報記者?吳長鋒
2016年8月16日，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星在九泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空。
“現(xiàn)在看發(fā)射錄像感覺很輕松，但其實在發(fā)射前30秒，我一直雙手合十。盡管沒念阿彌陀佛，卻也在默念老天保佑，希望衛(wèi)星能成功進入太空?！敝袊茖W技術(shù)大學教授、中國科學院院士潘建偉回憶道。
潘建偉說，給這顆衛(wèi)星取“墨子號”這個名字，是因為墨子是中國歷史上的第一位科圣。墨子生活在2400年前，他主張“兼愛、非攻”，也就是平等、博愛、反對戰(zhàn)爭。
“墨子在墨家著作《墨經(jīng)》里面提到‘端，體之無序而最前者也’。這個‘端’指的是小顆粒，是組成所有物質(zhì)的最基本的單位?！迸私▊フf，從這個含義上講，墨子是所有科學家里面最早提出原子概念雛形的人。與他同時期的希臘的科學家、哲學家德謨克利特也提出了相同的觀點。此外，墨子在《墨經(jīng)》里面還提出“止，以久也，無久之不止”。久是力的意思。這句話說的是一個物體之所以會停下來，主要因為受到力的作用，如果說沒有阻力的話，一個物體的運動是永遠不會停止的。
“這與我們在高中學到的牛頓慣性定律是完全一樣的。不過，與墨子同時期的著名哲學家亞里士多德卻說，如果一個物體不受到力的作用就會停下來。后來牛頓提出了慣性定律，否定了亞里士多德的觀點?！迸私▊フf，早在2000多年前，我國就已經(jīng)有一位偉大的科學家提出了非常基本的物理學概念。
“有種說法，中國人也許不適合做科研。我們當時取‘墨子號’這個名字，就是想告訴大家：中國人可以做好科研。”潘建偉說，取名“墨子”正是為展現(xiàn)我國的科研自信。
此外，墨子還做了一項很重要的工作，其與光學研究有關(guān)?！艾F(xiàn)在我們都知道光線是沿直線傳播的，但在古時候人們并不清楚這個事情。如何通過一個實驗來證明光是沿著直線傳播的呢？”潘建偉說，墨子在2000多年前就做過一個小孔成像實驗。他站在門外面，在門上挖一個小孔，門里面有一面墻，結(jié)果發(fā)現(xiàn)墻上的影子是倒過來的。我們知道光只有沿著直線傳播才會有這種現(xiàn)象。我們將世界上首顆量子科學實驗衛(wèi)星取名為“墨子號”，一方面是為了紀念墨子在我國科學方面所作出的一些重大貢獻，同時也為了紀念他在光學研究方面所取得的一些成就。
大事記
2006年
我國團隊實現(xiàn)了超過100公里的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實驗
2008年
我國首個3節(jié)點全通型量子保密電話網(wǎng)絡(luò)在合肥試驗成功
2016年8月
世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空
2017年9月
量子保密通信“京滬干線”正式開通，并與“墨子號”成功對接，實現(xiàn)了洲際量子保密通信,
全球首個天地一體化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)初具雛形
2020年2月
我國科研團隊實現(xiàn)了500公里量級真實環(huán)境光纖的雙場量子密鑰分發(fā)和相位匹配量子密鑰分發(fā)
2020年6月
“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星在國際上首次實現(xiàn)千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)
2021年1月
我國宣布建成跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)
進展 | 工信部發(fā)布量子隨機數(shù)相關(guān)標準，國盾量子牽頭制定
