日前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事彭承志、陸朝陽、曹原應(yīng)邀在國(guó)際物理學(xué)權(quán)威綜述期刊《現(xiàn)代物理評(píng)論》上發(fā)表長(zhǎng)篇綜述論文《基于“墨子號(hào)”衛(wèi)星的空間量子實(shí)驗(yàn)》。

據(jù)了解，由于在遠(yuǎn)距離量子通信特別是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星方面所取得的一系列具有開創(chuàng)性意義的工作，潘建偉等受邀為《現(xiàn)代物理評(píng)論》撰寫的這篇46頁的綜述論文，全面介紹了國(guó)際空間量子科學(xué)研究近20年來取得的成就，重點(diǎn)闡述了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星從前期關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，包括衛(wèi)星系統(tǒng)、科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)等六大系統(tǒng)的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的建設(shè)和研制，到衛(wèi)星在軌運(yùn)行后所取得的系統(tǒng)性科研成果，為國(guó)際學(xué)術(shù)界提供了寶貴的資料。

《現(xiàn)代物理評(píng)論》是國(guó)際物理學(xué)界最權(quán)威的綜述性期刊，每年僅發(fā)表約40篇學(xué)術(shù)論文。該期刊一般不接受自由投稿，主要是邀請(qǐng)?jiān)诟黝I(lǐng)域卓有建樹的物理學(xué)家執(zhí)筆，旨在對(duì)當(dāng)今物理研究的重大熱點(diǎn)問題做歷史總結(jié)、原理闡述、現(xiàn)狀分析和趨向預(yù)測(cè)。此論文是潘建偉團(tuán)隊(duì)繼2012年的《多光子糾纏和干涉度量學(xué)》以及2020年的《基于現(xiàn)實(shí)器件的安全量子密鑰分發(fā)》之后在該期刊上的第3篇綜述論文。

“墨子號(hào)”的橫空出世

量子通信基于量子物理學(xué)的基本原理，克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明是無條件安全的通信方式，可以從根本上解決國(guó)防、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問題。量子通信通常采用單光子作為物理載體，最為直接的傳輸方式是光纖或者近地面自由空間信道。但是，這兩種信道的損耗都會(huì)隨著距離的增加而指數(shù)式增加，近地大氣信道還會(huì)受到地球曲率的影響。

由于量子不可克隆原理，量子通信的信號(hào)不能像經(jīng)典通信那樣被放大，這使得之前量子通信的世界紀(jì)錄只有百公里量級(jí)。因此，如何實(shí)現(xiàn)安全、長(zhǎng)距離、可實(shí)用化的量子通信是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國(guó)際學(xué)術(shù)界幾十年來奮斗的共同目標(biāo)。

由于外太空幾乎真空，對(duì)于光信號(hào)的吸收損耗幾乎為零，因此通過衛(wèi)星的輔助可以極大擴(kuò)展量子通信距離。本世紀(jì)初以來，該方向已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界激烈角逐的焦點(diǎn)。潘建偉團(tuán)隊(duì)為實(shí)現(xiàn)星地量子通信開展了一系列先驅(qū)性的實(shí)驗(yàn)研究。2003年，該團(tuán)隊(duì)提出了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)星地間量子通信、構(gòu)建覆蓋全球量子保密通信網(wǎng)的方案，隨后于2004年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了水平距離13公里（大于大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)，驗(yàn)證了穿過大氣層進(jìn)行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正式立項(xiàng)。2012年，潘建偉領(lǐng)銜的中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了首個(gè)百公里的雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，充分驗(yàn)證了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)量子通信的可行性。

2013年，中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了模擬星地相對(duì)運(yùn)動(dòng)和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，全方位驗(yàn)證了衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)的可行性。隨后，該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過艱苦攻關(guān)，最終成功研制了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。“墨子號(hào)”衛(wèi)星于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過4個(gè)月的在軌測(cè)試，2017年1月18日正式交付開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

我國(guó)首次在空間科學(xué)研究領(lǐng)域走到世界最前列

近年來，潘建偉團(tuán)隊(duì)利用“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星在國(guó)際上率先完成了一系列具有開創(chuàng)意義的星地量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

這些實(shí)驗(yàn)包括：完成了星地量子密鑰分發(fā)、北京到維也納的洲際量子密鑰分發(fā)、基于糾纏的無須可信中繼量子密鑰分發(fā)，并進(jìn)一步在量子保密通信京滬干線與“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星之間成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)接，驗(yàn)證了星地廣域量子通信的可行性；實(shí)現(xiàn)了星地雙向量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)，觀察到了星地間千公里距離的嚴(yán)格滿足愛因斯坦定域性條件的貝爾不等式的破缺，驗(yàn)證了空間尺度量子糾纏的存在和量子力學(xué)基本原理的正確性；完成了首個(gè)地星量子隱形傳態(tài)以及星地量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸，證明了在地星千公里距離上能夠完成量子比特的傳輸，為全球化量子信息處理網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)；在完成了廣域量子通信和量子力學(xué)基本問題檢驗(yàn)的既定科學(xué)目標(biāo)后，還在空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的其他方向展開了探索工作，利用上行量子信道，對(duì)一類預(yù)言引力場(chǎng)導(dǎo)致量子退相干的理論模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，邁出了探索量子力學(xué)與廣義相對(duì)論相融合的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的第一步；將量子通信技術(shù)與量子精密測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了星地安全時(shí)頻傳輸實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了在空間尺度開展廣域光頻標(biāo)研究的可行性。

研究人員認(rèn)為，這些空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)成果使我國(guó)第一次在空間科學(xué)研究領(lǐng)域走到了世界最前列，牢牢占據(jù)了空間量子科學(xué)研究領(lǐng)域的主導(dǎo)和引領(lǐng)地位。

“空間量子科學(xué)研究必跨越到更高平臺(tái)”

“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星項(xiàng)目的成功實(shí)施，進(jìn)一步激發(fā)了全球關(guān)于空間量子實(shí)驗(yàn)的競(jìng)賽。2017年，美國(guó)宇航局發(fā)布了關(guān)于未來空間量子物理發(fā)展方面的白皮書。同期歐洲航天局也發(fā)布了空間量子技術(shù)的白皮書。在“墨子號(hào)”成功發(fā)射之后，世界各大強(qiáng)國(guó)紛紛開始了自己的量子衛(wèi)星研發(fā)，推出了基于低軌道小型化量子衛(wèi)星的計(jì)劃和時(shí)間表。

2021年6月，美國(guó)、英國(guó)、日本、加拿大、意大利、比利時(shí)和奧地利7國(guó)更是在G7峰會(huì)上達(dá)成合作，首次計(jì)劃聯(lián)合開發(fā)一個(gè)基于衛(wèi)星的量子加密網(wǎng)絡(luò)——“聯(lián)邦量子系統(tǒng)”，利用量子技術(shù)的突破來防范日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)攻擊等。

潘建偉團(tuán)隊(duì)的該綜述論文還對(duì)國(guó)際空間量子科學(xué)的研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理。文章指出，“墨子號(hào)”的成功激勵(lì)了國(guó)際空間量子科學(xué)的研究熱潮，美國(guó)、歐盟、日本等國(guó)際上的各方力量隨后皆開始探索自己的廣域量子通信之路，提出或加速了一系列空間量子科學(xué)布局。論文還對(duì)進(jìn)一步構(gòu)建覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)和基于空間平臺(tái)的量子物理基礎(chǔ)研究進(jìn)行了前瞻性的展望，表明“墨子號(hào)”系列實(shí)驗(yàn)開啟了利用空間平臺(tái)開展量子信息和量子物理前沿研究的廣闊天地。

該綜述論文的最后對(duì)未來空間量子科學(xué)的主要發(fā)展方向進(jìn)行了展望，提出“空間量子科學(xué)研究必將從低軌道平臺(tái)跨越到中高軌平臺(tái)，甚至是深空平臺(tái)”。在此基礎(chǔ)上，利用中高軌衛(wèi)星平臺(tái)覆蓋范圍廣、實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、微重力環(huán)境好等優(yōu)勢(shì)，將空間量子通信技術(shù)同時(shí)交叉應(yīng)用于遠(yuǎn)距離高精度時(shí)頻傳遞和空間超冷原子物理等領(lǐng)域，在量子精密測(cè)量、量子物理與廣義相對(duì)論融合等基礎(chǔ)科學(xué)問題方面獲得更豐富的科學(xué)產(chǎn)出。（記者 常河）

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