2016年8月16日，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，我國(guó)在衛(wèi)星量子通信上邁出了人類第一步。2024年，中國(guó)的“量子星座”正在醞釀中，成功后，將能提供高效率的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
在量子物理領(lǐng)域中，我國(guó)已經(jīng)在量子信息方向上實(shí)現(xiàn)從跟跑到部分領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變。而這一優(yōu)勢(shì)，將在我國(guó)科技工作者不斷自主創(chuàng)新的實(shí)踐中繼續(xù)保持。
把量子通信實(shí)驗(yàn)搬到太空中
“嚇了一跳”，這是中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員、“墨子號(hào)”工程常務(wù)副總設(shè)計(jì)師兼衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮王建宇聽(tīng)到“墨子號(hào)”想法的第一感覺(jué)。為了解決光纖傳輸信號(hào)損失嚴(yán)重的問(wèn)題，潘建偉團(tuán)隊(duì)想把量子通信實(shí)驗(yàn)搬到太空中。
“之前的實(shí)驗(yàn)表明，光纖傳輸?shù)牧孔油ㄐ判盘?hào)在200公里以上就幾乎被吸收殆盡?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉介紹。那么，該如何實(shí)現(xiàn)安全的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)呢？早在2003年，年輕的潘建偉提出一個(gè)大膽的想法：外太空幾乎是真空，光信號(hào)損耗非常小，利用量子衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)站，可以將多個(gè)城市的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，極大地延長(zhǎng)量子通信距離。
這是一個(gè)前所未有、挑戰(zhàn)技術(shù)極限的科學(xué)創(chuàng)新，是個(gè)“瘋狂的想法”。但潘建偉認(rèn)為：“過(guò)去，我們?cè)诳蒲蓄I(lǐng)域常常扮演追隨者和模仿者的角色，研究方向的選定、科研項(xiàng)目的設(shè)立都先要看看國(guó)際上有沒(méi)有人做過(guò)。量子信息是一個(gè)全新學(xué)科，我們必須學(xué)會(huì)和習(xí)慣做開(kāi)拓者。”
科學(xué)，需要大膽設(shè)想，也要小心求證。為了驗(yàn)證這個(gè)想法，研究團(tuán)隊(duì)付出了很多。他們?cè)诒本┌诉_(dá)嶺長(zhǎng)城附近和河北省張家口市懷來(lái)縣古城遺址之間搭起通信平臺(tái)，用兩年時(shí)間完成了16公里的自由空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)；他們?cè)谇嗪：械暮Ｐ膷u上搭帳篷做實(shí)驗(yàn)，吃、喝、燃料都依賴每月一次的補(bǔ)給，連洗澡都無(wú)法保證，終于實(shí)現(xiàn)了百公里自由空間量子隱形傳態(tài)和雙向糾纏分發(fā)，驗(yàn)證了在高損耗星地鏈路中實(shí)現(xiàn)量子通信的可行性；他們用吊車、卡車、熱氣球、飛機(jī)，想盡一切辦法進(jìn)行星地之間量子通信的模擬實(shí)驗(yàn)……終于，研究團(tuán)隊(duì)突破了高精度捕獲跟瞄技術(shù)、高靈敏能量分辨探測(cè)技術(shù)、星載量子光源技術(shù)等技術(shù)瓶頸，為量子衛(wèi)星的研制鋪平了道路。
2011年11月，中國(guó)科學(xué)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)。接下來(lái)的5年中，圍繞衛(wèi)星研制，中國(guó)科學(xué)院集中優(yōu)勢(shì)力量攻關(guān)：衛(wèi)星工程由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心抓總負(fù)責(zé)；中國(guó)科大負(fù)責(zé)科學(xué)目標(biāo)的提出和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的研制；中國(guó)科學(xué)院上海微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院抓總研制衛(wèi)星系統(tǒng)，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所聯(lián)合中國(guó)科大研制有效載荷分系統(tǒng)；中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心牽頭負(fù)責(zé)地面支撐系統(tǒng)研制、建設(shè)和運(yùn)行，對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心等單位參與。
2016年8月，“墨子號(hào)”成功發(fā)射！發(fā)射入軌后的一年時(shí)間內(nèi)，“墨子號(hào)”圓滿完成了全部預(yù)定科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)：在國(guó)際上首次完成千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)、完成了空間尺度下嚴(yán)格滿足“愛(ài)因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)、國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)從衛(wèi)星到地面的千公里級(jí)量子密鑰分發(fā)和地面到衛(wèi)星的千公里量子隱形傳態(tài)。此后，我國(guó)科學(xué)家基于“墨子號(hào)”積極開(kāi)展國(guó)際合作，實(shí)現(xiàn)了北京—維也納的洲際量子密鑰分發(fā)，共同探索實(shí)現(xiàn)全球化量子通信的可行性。“墨子號(hào)”不斷創(chuàng)造紀(jì)錄，讓中國(guó)在空間量子科學(xué)研究領(lǐng)域處于引領(lǐng)地位。
“量子星座”，未來(lái)可期
如今，量子通信已成為最先進(jìn)入實(shí)用化階段的量子信息技術(shù)。據(jù)了解，上海區(qū)域內(nèi)目前已經(jīng)建成國(guó)內(nèi)首張運(yùn)營(yíng)商級(jí)的商用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，可支持不少于100萬(wàn)的用戶容量。而預(yù)計(jì)到今年年底，中國(guó)電信將在全國(guó)10~15個(gè)城市部署量子城域網(wǎng)，未來(lái)將與骨干網(wǎng)打通，并最終形成天地一體的量子通信網(wǎng)絡(luò)。
“墨子號(hào)”的成功，讓世界掀起一輪空間量子物理的熱潮。2017年，美國(guó)宇航局發(fā)布了關(guān)于未來(lái)空間量子物理發(fā)展的白皮書(shū)，歐洲航天局發(fā)布了空間量子技術(shù)白皮書(shū)。國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》曾發(fā)表社論，認(rèn)為是“墨子號(hào)”給美國(guó)政府敲響了警鐘，最終促使美國(guó)在2018年通過(guò)《國(guó)家量子行動(dòng)法案》。
激烈的競(jìng)爭(zhēng)中，中國(guó)該如何保持領(lǐng)先？中國(guó)科學(xué)家有成竹在胸的規(guī)劃。就在10月2日墨子量子科技基金會(huì)舉辦的新聞發(fā)布會(huì)上，潘建偉表示，中國(guó)有望在量子中繼和量子星座兩方面取得關(guān)鍵技術(shù)突破。
在量子中繼方面，中國(guó)團(tuán)隊(duì)正在研究可支持上千公里量子通信的量子中繼技術(shù)，有望在未來(lái)5~6年內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的城際光纖量子傳輸。這能夠?qū)崿F(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模覆蓋，大幅擴(kuò)展量子通信的應(yīng)用范圍。
在“量子星座”方面，我國(guó)已于2022年7月成功發(fā)射第一顆低軌量子微納衛(wèi)星，或在明年再發(fā)射兩到三顆低軌道衛(wèi)星。中高軌量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星正在研制中，有望在2026年底具備發(fā)射條件。未來(lái)，由中高軌量子衛(wèi)星和實(shí)用化的低軌微納衛(wèi)星組成的“量子星座”，將與地面上的光纖量子網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)建全球化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。
這不僅僅是技術(shù)上的成功，還將在科學(xué)上取得更多突破：或許，我們將重新定義時(shí)間單位“秒”；或許，我們將驗(yàn)證量子引力理論的真?zhèn)?；或許，我們能夠開(kāi)展引力波的新探測(cè)；或許，我們能夠在月球建立基地，實(shí)現(xiàn)地月量子糾纏分發(fā)……
這些，不是夢(mèng)。從“墨子號(hào)”出發(fā)，中國(guó)科技工作者一步一個(gè)腳印，向量子科技的高峰攀登！
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