小科普 | “墨子號”衛(wèi)星系統(tǒng)副總師帶你了解空間量子科學領域發(fā)展史
2021年9月24日，第四屆量子信息技術學術交流大會在蘇州隆重舉辦。“墨子號”衛(wèi)星系統(tǒng)副總師、中國科大研究員、國盾量子董事長彭承志受邀參會并作報告，系統(tǒng)講述國內(nèi)空間量子科學的發(fā)展歷程與未來發(fā)展方向，介紹國際空間量子科學的研究現(xiàn)狀。
“空間量子科學領域在這些年得到了長足的發(fā)展，我們中國的貢獻起了關鍵性作用。特別是在2011年立項了‘墨子號’量子科學實驗衛(wèi)星的發(fā)展之下，2016年成功發(fā)射了國際首顆量子科學實驗衛(wèi)星。在這顆衛(wèi)星的幫助下，我們在國際上的科學實驗跨越非常大?！迸沓兄驹凇?021 量子信息技術學術交流大會”上報告時表示。
從最初的簡單想法
延伸到空間量子科學實驗的大領域
量子具有“不可克隆定理”，就是說無法做到克?。◤椭疲┮粋€量子態(tài)而對被克隆的量子態(tài)不產(chǎn)生影響。而任何未授權(quán)方企圖竊取密鑰的探測都可以看作是一種“克隆”，這就會帶來額外的誤碼，授權(quán)用戶在后處理過程中會根據(jù)誤碼發(fā)現(xiàn)有人竊聽。因此，量子通信能夠保障通信安全。
量子通信采用的載體是單個光子，單光子在光纖中傳輸不可避免地會出現(xiàn)一些損耗?！爱敃r業(yè)界基本認為：光纖量子通信的距離很難超過100或200公里?！迸沓兄颈硎?。
“所以，作為一種通信方式，或者一種密鑰傳輸?shù)姆绞?，怎樣實現(xiàn)全球覆蓋？我們自然而然就想，地面做不下去，就利用天上的衛(wèi)星平臺。光子在太空傳輸時幾乎沒有衰減，這種特性讓我們來考慮用來實現(xiàn)廣域、覆蓋全球的量子通信?！迸沓兄颈硎?，要做到這一點，最核心是實現(xiàn)光源探測和光量子態(tài)在星地空間的傳輸。
“如果能做到這一點，不僅可以傳輸相干的量子態(tài)，還可以把糾纏搬到星地空間，把原來只能在地面實驗室做的近距離的量子力學非定域性檢驗，放到一個更廣的系統(tǒng)上。更進一步，當量子糾纏在重力場傳輸時，這就跟大家關注的前沿物理問題結(jié)合在一起：廣義相對論和量子力學的融合理論。而且這種量子傳輸還可以用來做一些廣域高精度光頻標實驗。”
彭承志表示，這樣就從最早的遠距離量子通信問題，衍生出許多空間量子科學相關領域。這些領域共同構(gòu)成整個空間量子科學實驗大領域。
彭承志介紹道，2016年成功發(fā)射“墨子號”衛(wèi)星，在衛(wèi)星幫助下，他們在國際上率先開展了系列空間量子科學實驗。他們實現(xiàn)了千公里級量子密鑰分發(fā)，分發(fā)速率約1kbps，比同距離光纖提高20個數(shù)量級；還實現(xiàn)了千公里級地星量子隱形傳態(tài)，千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)，以及空間尺度嚴格滿足“愛因斯坦”量子力學的非定域性檢驗。
他們第一次利用量子衛(wèi)星在地球引力場中，對嘗試融合廣義相對論和量子力學的模型進行檢驗。他們檢驗了“事件形式”模型的參數(shù)，在500公里軌道排除了“事件形式”理論預言的引力導致糾纏退相干現(xiàn)象。他們還把量子密鑰分發(fā)和時間頻率的傳遞結(jié)合，首次實現(xiàn)量子安全時間傳遞。
“未來，通過‘墨子號’、‘京滬干線’的成功實施，我們可能率先凝聚一個共識：打造一個天地一體、廣域量子通信網(wǎng)絡?！?/strong>彭承志表示，“這張網(wǎng)絡不僅瞄準下一代信息安全的趨勢，還可以給未來空間的基礎科學研究提供一個非常好的平臺。”
他們將推動量子通信技術在國防、政務、金融和能源等領域率先加以廣泛應用，實現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡和經(jīng)典通信網(wǎng)絡的無縫銜接；為形成具有國際引領地位的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)和下一代國家信息安全生態(tài)系統(tǒng)奠定基礎。
下一步往哪走？
這是能否持續(xù)領先發(fā)展的關鍵問題
“走到這一步之后，可以說，在量子通信領域，我們短程跟跑并跑，逐步到了領跑位置。下一步往哪走？這是我們能不能夠持續(xù)領先、發(fā)展的關鍵問題?；卮疬@個問題，要看我們現(xiàn)在在哪。”
彭承志指出，“墨子號”衛(wèi)星存在局限?！澳犹枴笔堑蛙壭l(wèi)星，軌道約高500公里（地球半徑約6000公里），所以它對地球的覆蓋范圍較?。煌瑫r，它的工作時間偏短（單次過地面站的時間約9分鐘），而且由于技術限制，現(xiàn)在只能在夜晚（地影區(qū)）工作?！斑@極大地限制了它的未來應用，和更進一步、更有想象力的科學實驗的開展?！?/p>
彭承志表示，未來發(fā)展的一個可行方向是跟中高軌量子衛(wèi)星相結(jié)合。中高軌量子衛(wèi)星具有一些優(yōu)勢，如機動的對站能力、更長的實驗時間，而且能夠突破地影區(qū)限制，24小時成碼。
“高軌除了可以做距離更遠、覆蓋范圍更廣的量子通信，還可以把量子力學的非定域性檢驗再大步往前走?！?/p>
非定域性是指處于糾纏態(tài)的兩個粒子不管彼此相距多遠，都是一個相互關聯(lián)整體。這是量子力學的重要性質(zhì)，也是愛因斯坦質(zhì)疑量子力學完備性的主要原因。
“量子力學非定域性檢驗一個終極的問題。要在兩端探測時引入一個‘隨機’的探測，來檢驗糾纏的非定域性。”彭承志表示，終極的隨機可能像人類意識。因此，非定域性檢驗需要超遠距離的量子糾纏分發(fā)，光速飛行所需的時間超過人的反應時間（約0.1秒），例如地球與月球之間（1.28光秒）?！拔覀兛梢栽谥懈哕壍郎舷茸咭徊剑瑢崿F(xiàn)萬公里級相應的技術和驗證，為未來真正有觀測者（人）參加的檢驗奠定基礎。”
“量子力學很有意思的一點是，人類觀測者能夠決定實驗本身。對人類觀測者來說，糾纏到底是獨立于觀測存在，還是說人類觀測的引入會導致糾纏特性的改變。這是我們未來要做的?！?/p>
高軌道條件下還能夠探索廣義相對論與量子力學融合。比如，發(fā)射高軌衛(wèi)星時，首先將衛(wèi)星發(fā)射到一個較低的軌道，然后逐步到高軌上。衛(wèi)星變軌，可以探索新的引力紅移的探測方法等。此外，高軌道還能進行廣域高精度時頻傳遞，提升大地重力勢測量、基礎理論檢驗、國際基本計量單位傳遞能力。
國際有很多空間量子科學研究的布局
我們也沒有停下
“隨著‘墨子號’的引領，歐美國家也迅速增加了很多空間量子科學的研究布局。包括NASA（美國航天局）的計劃、ESA（歐洲航天局）的計劃，他們關注的方向非常清晰?！迸沓兄颈硎尽?/p>
2017年11月，NASA發(fā)布空間基礎量子物理白皮書，目標在量子相干與量子糾纏、量子精密測量、量子物質(zhì)等領域?qū)崿F(xiàn)突破；ESA發(fā)布空間量子技術白皮書，目標在量子通信、給予量子相干測量的時頻傳遞與對地測量、基礎量子物理實驗等領域?qū)崿F(xiàn)突破。
2019年，歐盟專門制定一個泛歐地面和天基量子通信基礎設施的協(xié)議；2021年G7峰會，美國、英國、法國等7國聯(lián)合開發(fā)基于衛(wèi)星的量子加密網(wǎng)絡“聯(lián)邦量子系統(tǒng)”。2021年，奧地利Zeilinger團隊，提出基于糾纏源參數(shù)優(yōu)化的星地糾纏QKD策略，并在144km水平鏈路進行演示驗證；意大利Paolo小組，利用集成硅基光學芯片實現(xiàn)145米自由空間白天QKD；美國空軍研究實驗室研究了適用于白天自由空間量子通信的自適應光學系統(tǒng)。
“所以，雖然他們嘴上說一些東西還不實用，實際上，技術實驗研究一直在做。我們也沒有停下來?！?/strong>
從低軌衛(wèi)星的方向來看，彭承志介紹表示，他們正研制重約100公斤的微納空間量子密鑰分發(fā)衛(wèi)星，QKD載荷35公斤，預計2022年發(fā)射?！斑@是真正有業(yè)務價值的?！蹦壳?，中國科大等聯(lián)合團隊已基本完成小型化、輕量化的衛(wèi)星載荷，重量從原來的幾百公斤降至30多公斤。
與此同時，部分已經(jīng)成熟的技術也開始進行成果轉(zhuǎn)化。最近，作為中國科學技術大學的產(chǎn)業(yè)化平臺，國盾量子在原“墨子號”衛(wèi)星地面站的基礎上合作研發(fā)了輕量化、可搬運的地面接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)體積由4米乘3米，重13噸，縮小至1.2米乘0.5米，重量低于100公斤。彭承志指出，小型化的地面站是未來大規(guī)模用戶接入的一個關鍵點。
發(fā)展中高軌，則需要突破地影區(qū)的限制，這就需要高效傳輸、噪聲抑制，以及高精度發(fā)射。他們在發(fā)展基于深度學習的新型自適應光學補償方法、研制具備高效單模光纖接受的大口徑光學望遠鏡，并進行星地鏈路測試。
他們已經(jīng)在南山和上海進行了實驗?！拔覀冊趲资?、長時間、地面的驗證上已經(jīng)取得了突破，可以說，地面的關鍵技術都得到充分的驗證。現(xiàn)在我們希望得到更多支持，在中高軌道進一步發(fā)展?！?/p>
本文轉(zhuǎn)載自澎湃新聞2021年9月27日刊發(fā)的《墨子號衛(wèi)星系統(tǒng)副總師彭承志：中高軌衛(wèi)星助力量子力學檢驗》。
本次大會由中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院指導，中國電子學會量子信息分會主辦。中國科學院院士俞大鵬、中國工程院院士陸軍、中國工程院院士張平、中國科學技術大學教授陸朝陽出席了會議并發(fā)表講話，中國科學院院士潘建偉以視頻方式進行致辭。
作為國內(nèi)率先從事量子信息技術產(chǎn)業(yè)化的公司，國盾量子受邀參會，并向現(xiàn)場專家、學者展示了小型化量子密鑰分發(fā)設備、超導量子計算調(diào)控系統(tǒng)等產(chǎn)品。
國盾量子拍了拍你，遞上國內(nèi)首款高性能近紅外自由運行單光子探測器！
