量子科學實驗衛星
——“墨子號”*

彭承志 潘建偉**

1 中國科學院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心 合肥 230026 2 中國科學技術大學 合肥 230026

量子科學實驗衛星
——“墨子號”*

彭承志1,2潘建偉1,2**

1 中國科學院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心 合肥 230026 2 中國科學技術大學 合肥 230026

北京時間2016 年8 月16日凌晨1 時45 分，“墨子號”量子科學實驗衛星在酒泉衛星發射中心成功發射。該衛星是世界第一顆從事空間尺度量子科學實驗的衛星。升空之后，它將配合多個地面站，在國際上率先實現星地高速量子密鑰分發、星地雙向量子糾纏分發及空間尺度量子非定域性檢驗、地星量子隱形傳態，以及探索廣域量子密鑰組網等實驗?！澳犹枴绷孔涌茖W實驗衛星將擴大我國在量子通信領域的國際領先地位，為未來覆蓋全球的天地一體化廣域量子通信網絡建立基礎，并將加深人類對量子力學基本原理的理解。

量子通信，量子密鑰分發，廣域量子通信網絡，量子糾纏分發，量子隱形傳態，量子力學非定域性

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.09.015

“墨子號”量子科學實驗衛星是中科院空間科學戰略性先導科技專項中首批確定的5顆科學實驗衛星之一，該項目目標為建立衛星與地面遠距離量子科學實驗平臺，并在此平臺上完成空間大尺度量子科學實驗，以期取得量子力學基礎物理研究重大突破和一系列具有國際顯示度的科學成果。

量子通信基于量子物理學的基本原理，克服了經典加密技術內在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式，可以從根本上解決國防、金融、政務、商業等領域的信息安全問題。目前，基于光纖的城域和城際量子通信技術正在走向實用化和產業化，我國在這方面已經走在了世界前列。但是由于光纖的固有損耗以及單光子狀態的不可復制性，目前點對點光纖量子通信的距離難以突破百公里量級。因此，要實現廣域乃至全球化的量子通信網絡，還需要借助衛星的中轉。

因此，從2003 年起，中國科學技術大學潘建偉團隊率先開展遠距離自由空間量子通信實驗研究。2004 年底，潘建偉團隊實現了 13 公里自由空間的量子糾纏分發和量子密鑰分發，在國際上首次證實了光子糾纏態在穿透大氣層后，其量子性質仍然能有效保持，驗證了星地量子通信的可行性[1]。此后，在“遠距離量子通信實驗研究”和“空間尺度量子實驗關鍵技術與驗證”兩個中科院知識創新工程重大項目的支持下，潘建偉團隊聯合中科院上海技術物理所、中科院微小衛星工程中心等單位，開展了一系列關鍵技術突破與地面驗證實驗，先后實現了16公里自由空間量子隱形傳態[2]、100公里級自由空間量子隱形傳態和雙向量子糾纏分發[3]、星地量子通信的全方位地基驗證[4]等重要實驗，為實現星地量子通信奠定了堅實的科學與技術基礎。

在完成上述系列關鍵技術突破的基礎上，2011 年底，由中國科學技術大學牽頭提出并策劃的中科院戰略性先導科技專項“量子科學實驗衛星”正式立項。量子科學實驗衛星建設和研制任務包括衛星系統、運載火箭系統、發射場系統、地面支撐系統、測控系統和科學應用系統六大系統。中國科學技術大學牽頭負責確立整個專項的科學研究目標、總體技術目標和總體實驗基本方案，負責科學應用系統的研制，并與中科院上海技術物理所合作完成有效載荷研制，包括負責研制量子糾纏源、量子實驗控制與處理機，參與研制量子密鑰通信機、量子糾纏發射機；上海微小衛星工程中心負責衛星平臺研制；中科院國家天文臺和中科院光電技術院負責量子通信地面站的建設。量子科學實驗衛星突破了包括同時瞄準兩個地面站的高精度星地光路對準、星地偏振態保持與基矢校正、星載量子糾纏源等一系列關鍵工程技術。

“墨子號”重量約 640 公斤，設計壽命為兩年，運行在高度約 500 公里的極地軌道。目前，“墨子號”已進入預定軌道，開始為期約 3 個月的在軌測試。星地量子信道已經建立，如圖 1 所示，地點為國家天文臺興隆觀測站。所有測試完成后，將在首席科學家的領導下，由科學應用系統組織完成星地高速量子密鑰分發、廣域量子通信網絡、星地量子糾纏分發以及地星量子隱形傳態等多項科學實驗任務，實現專項預定的科學目標：

（1） 進行星地高速量子密鑰分發實驗，并在此基礎上進行廣域量子密鑰網絡實驗，以期在空間量子保密通信實用化方面取得重大突破；

（2） 在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。

1 高速量子密鑰分發及廣域量子密鑰網絡實驗

量子密鑰分發（Quantum key distribution）克服了經典加密技術內在的安全隱患，是迄今唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式，可以從根本上解決國防、金融、政務、能源、商業等領域的信息安全問題。量子密鑰分發起源于1984年IBM實驗室的Bennett和加拿大蒙特利爾大學的Brassard共同提出的量子密鑰分發協議，即著名的BB84協議[5]。該協議基于單個光量子不可分割和量子不可克隆原理，發送方和接收方采用單光子的狀態作為信息載體來建立密鑰。竊聽者不能分割和復制單光子，只能截取單光子后測量其狀態，然后根據測量結果發送一個相同狀態的光子給接收方，以期竊聽行為不被察覺。但由于竊聽者的測量行為會對光子的狀態產生擾動，其發送給接收方的光子的狀態與其原始狀態會存在偏差，發送方和接收方可以利用這個偏差探測到竊聽行為，因而保證了量子密鑰分發的無條件安全性。Shor、Preskill[6]、Lutkenhaus[7]和Mayer[8]等人先后獨立地證明了使用理想單光子源的BB84協議是安全的，并在考慮竊聽、噪聲、非理想單光子源等條件的情況下，給出了量子密碼的安全成碼效率公式。

圖1 建立星地量子鏈路

1991年，Bennett等在 32 厘米的距離上演示了首個量子密鑰分發[9]。1995年，中科院物理所吳令安小組在實驗室內完成了我國最早的量子密鑰分發實驗演示[10]。2000年，該小組又與中科院研究生院合作利用單模光纖完成了1.1公里的量子密鑰分發演示實驗[11]。2002—2003年間，瑞士日內瓦大學Gisin小組和我國華東師范大學曾和平小組分別在67公里和50公里光纖中演示了量子密鑰分發[12,13]。2004年，英國劍橋大學Shields小組和日本NEC公司分別實現了122公里和150公里的光纖量子密鑰分發演示性實驗[14,15]。2005年，中國科學技術大學郭光燦小組在北京和天津之間也實現了125公里光纖的量子密鑰分發演示性實驗。截至 2005 年，國際上已有 3 個實驗小組聲稱可將量子通信距離達到 100 公里以上。

然而，由于理想單光子源的實用化一直沒有滿意的結果，在理想單光子源缺乏的情況下，利用弱相干光源成為一種方便的選擇。但由于弱相干光源中存在多光子事件，如同Brassard所指出的，這存在所謂“分離光子數”攻擊，即竊聽者將單光子事件完全阻隔，而將多光子事件保留并從中截取一個光子來獲得密鑰信息[16]。根據理論推算，這些演示實際上在光纖長度超過10公里時已經不安全了。這嚴重影響了量子密鑰分發技術的實用化。

2005年，華人科學家王向斌、羅開廣、馬雄峰和陳凱等提出了經過嚴格理論分析的誘騙態方案[17,18]，使用弱相干激光光源就可以得到和理想單光子源幾乎一樣的安全性和效率。2007年，中國科學技術大學潘建偉小組利用誘騙態方案，在國際上首次將光纖量子通信的安全距離突破100公里，打開了量子密鑰分發技術實用化的大門[19]。在此基礎上，潘建偉團隊在2008年和 2009 年先后實現了國際上首個光量子電話網和全通型城域量子通信網絡[20,21]。2009年，潘建偉團隊又在世界上率先將誘騙態方案量子密鑰分發的安全距離突破至 200 公里[22]。

伴隨著地面光纖網絡的建成，還需要通過衛星實現星地之間的量子密鑰分發，從而滿足更遠距離的量子保密通信需求?；谛l星等航天器的空間量子通信有著地面光纖量子通信網絡無法比擬的優勢。第一個原因是在同樣距離下，光子在光纖中的損耗遠高于自由空間的損耗。光子在自由空間的損耗主要來自光斑的發散、大氣對光子的吸收和散射，遠小于光纖；第二個原因是受到地面條件的限制，很多地方無法鋪設量子通信的專用光纖。因此要建設覆蓋全球的量子通信網絡，必需依賴衛星的中轉。

“墨子號”量子科學實驗衛星設置了星地高速量子密鑰分發科學實驗任務，即在高精度捕獲、跟蹤、瞄準系統的輔助下，建立地面與衛星之間超遠距離的量子信道，實現衛星與地面之間的誘騙態量子密鑰分發，開展無條件安全的星地量子保密通信實驗，量子密鑰初始碼產生率約為10kbps，為建立全球范圍的量子通信網絡打下技術基礎（圖 2）。

圖2 星地量子密鑰分發示意圖

“墨子”號量子科學實驗衛星將在實現高速星地量子密鑰分發的基礎上，與兩個光學地面站及其附屬的兩個局域光纖量子通信網絡相結合，通過衛星中轉的方式組建真正意義上的廣域量子通信網絡（圖 3）。

圖3 廣域量子通信路線圖

2 量子糾纏分發和貝爾不等式檢驗

“量子糾纏”是一種多體量子疊加態。以雙粒子為例，一個粒子 A 可以處于疊加態，可以用一個量子比特來表示，即ψA=α | 0〉A+β | 1〉A，其中 | 〉為狄拉克符號，代表量子態。α和β是任意兩個復數，滿足關系|α|2+|β|2=1。當兩個粒子（A 和 B）發生糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態：ψAB= α | 0〉A| 1〉B+ β | 1〉A| 0〉B，這就是一個糾纏態。對這兩個粒子進行{| 0〉, | 1〉}基的測量，當 A 粒子的測量結果是 | 0〉時，B 粒子的一定測量結果是| 1〉；反之，當 A 粒子的測量結果是 | 1〉時，B 粒子的一定測量結果是 | 0〉。這種AB粒子之間的狀態關聯是非局域的，即使對AB的測量是在類空間隔進行，也會得到同樣的結果，這就是量子力學的非定域性。

量子糾纏得到重視始于愛因斯坦對量子力學的批評，他認為量子力學是不完備的，不符合自己根據相對論提出的“局域實在原理”（Local realism）：（1）物質實體獨立于任何測量而存在；（2）物質之間的任何影響都是時空局域的，即不能超過光速。

1935年，愛因斯坦和波多爾斯基（Podolsky）、羅森（Rosen）一同提出了著名的 EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）佯謬[23]，用來論證量子力學的不完備性：根據海森堡的不確定關系，無法同時測量一個粒子的位置和動量的精確值。于是EPR佯謬設想兩個相互作用的粒子 A 和 B，總動量確定（即一個EPR對）。當兩個粒子分隔距離很遠時，測量 A 的位置可得到精確值；同時測量 B 的動量也可得到精確值，從而計算出 A 的動量的精確值，這就同時精確測量了 A 的位置和動量，違反了不確定關系。這種跨越空間的瞬間影響雙方的量子糾纏曾經被愛因斯坦稱為“鬼魅的超距作用”（spooky action at a distance）

但量子力學中不是這樣。因為粒子 A 和 B 處于“糾纏態”，當精確測量 A 的位置時，影響到了 B，使 B 的動量無法精確測量，反之亦然。因為兩個粒子已經相距很遠并且無相互作用，于是EPR文章中認為量子糾纏暗示了：（1）要么這兩個粒子存在某種超過光速的非局域（Non-locality）相互作用而違背相對論；（2）要么量子力學的描述是不完備的，存在未知的“隱變量”來抵消這種非局域相互作用，使 A 和 B 依然符合定域實在原理。

1964年愛爾蘭物理學家貝爾推導出一個不等式，可用來判定量子力學和隱變量理論誰正確[24]。如果實驗結果符合貝爾不等式，則隱變量理論勝出；如果實驗結果違反了貝爾不等式，則量子力學勝出。20世紀80年代John Clauser、Stuart Freedman和Alain Aspect等人的一系列實驗證實了量子糾纏的確違反貝爾不等式[25-27]，從而否定了局域隱變量的存在。后來的幾次檢驗貝爾不等式的實驗都證實量子糾纏是非定域的，因此愛因斯坦的定域性原理需要舍棄。2015年荷蘭代爾夫特大學的 Hanson研究組實現了同時關閉探測效率漏洞和局域性漏洞的貝爾不等式檢驗，進一步驗證了量子非定域性[27]。

而要實現對量子非定域性的終極檢驗，諾貝爾物理學獎獲得者Anthony Leggett指出，還需要引入人的自由意志來徹底杜絕可能存在于各種儀器中的隱變量，這就需要在人的反應時間內來進行類空間隔的貝爾不等式檢驗，量子糾纏的分發要達到數十萬公里的距離。這樣遙遠的距離就必須要求在外太空進行。同時，量子糾纏是否會受到引力的影響，仍然需要進一步的驗證。

“墨子號”量子科學實驗衛星將量子糾纏光源放置于衛星平臺上，同時向兩個相距千公里的地面站進行雙向量子糾纏分發。在完成量子糾纏分發后，對糾纏光子同時進行獨立的量子測量，檢驗糾纏態在星地大尺度下的糾纏特性，即在世界上首次開展空間尺度量子力學非定域性（即貝爾不等式檢驗）的實驗研究，并為未來實現引入自由意志的量子非定域性終極檢驗奠定技術基礎。

3 地星量子隱形傳態實驗

量子隱形傳態（Quantum teleportation），是在量子糾纏的輔助下，將粒子的未知量子態傳送到遙遠的距離，而不用傳送這個粒子本身[29,30]。因為量子計算需要直接處理量子比特，于是“量子隱形傳態”這種直接傳的量子比特傳輸將成為未來量子計算之間的量子通信方式，多體[31]、多終端[32]、多自由度[33]的量子隱形傳態是構建分布式量子信息處理網絡的基本單元。

量子隱形傳態的過程一般分如下 4 步。

（1）制備一個糾纏粒子對，將粒子1發射到 A 點，粒子 2 發送至 B 點（圖 4）。

圖4 星地量子糾纏分發原理圖

（2）在 A 點，另一個粒子 3 攜帶一個想要傳輸的量子比特 Q。于是 A 點的粒子 1 和 B 點的粒子 2 與粒子 3 一起形成一個總的態。在 A 點同時測量粒子 1 和粒子 3，得到一個測量結果。這個測量會使粒子 1 和粒子 2 的糾纏態坍縮掉，但同時粒子 1 和粒子 3 卻糾纏到了一起。

（3）A 點的一方利用經典信道（就是經典通信方式，如電話等）把自己的測量結果告訴 B 點一方。

（4）B 點的一方收到 A 點的測量結果后，就知道了B 點的粒子 2 處于哪個態。只要對粒子 2 稍做一個簡單的操作，它就會變成粒子 3 在測量前的狀態。也就是粒子 3攜帶的量子比特無損地從 A 點傳輸到了 B 點，而粒子 3 本身只留在 A 點，并沒有到 B 點（圖 5）。

圖5 量子隱形傳態過程示意圖

以上就是通過量子糾纏實現量子隱形傳態的方法，即通過量子糾纏把一個量子比特無損地從一個地點傳到另一個地點。需要注意的是，由于步驟（3）是經典信息傳輸而且不可忽略，因此它限制了整個量子隱形傳態的速度，使得量子隱形傳態的信息傳輸速度無法超過光速。

“墨子號”量子科學實驗衛星將通過在地面建立高品質量子糾纏光源，將其中一個光子通過地面發射望遠鏡發送到衛星平臺，在地面將剩余糾纏態與待傳送態進行聯合糾纏測量，衛星載荷對糾纏光子進行量子測量，從而將地面的某個量子態通過隱形傳態的過程傳遞到衛星平臺上，實現基于光子糾纏的地星量子隱形傳態實驗（圖 6）。

圖6 地星量子隱形傳態實驗示意圖

4 結論

“墨子號”量子科學實驗衛星的成功研制和發射使得中國進一步擴大了在量子通信領域國際領先的優勢。在實現一系列空間尺度量子科學實驗目標的同時，在量子通信技術實用化上致力于實現國家信息安全和信息技術水平跨越式提升。另一方面，2016年底，由中國科學技術大學牽頭承擔的國家發改委“京滬干線”廣域量子通信骨干網絡工程也將建成并全線開通。京滬干線將建成連接北京、上海，貫穿濟南、合肥等地，全長約 2 000公里的大尺度量子通信技術驗證、應用研究和應用示范平臺。結合量子科學實驗衛星和京滬干線，將初步構建我國天地一體化的廣域量子通信網絡基礎設施，推動量子通信技術的深入應用、形成戰略性新興產業。

“墨子號”還將首次在空間尺度上實現對量子力學非定域性的實驗檢驗，加深人類對量子力學基本原理的理解，并為量子力學非定域性的終極檢驗奠定基礎。空間量子科學實驗平臺的建立，還將為探索和檢驗廣義相對論、量子引力等物理學基本原理提供全新的手段。

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彭承志中國科學技術大學研究員，中科院量子科學實驗衛星先導專項科學應用系統副總師。1976年 10 月生，2005年獲中國科學技術大學博士學位。主要研究方向為量子力學基本原理檢驗、實用化光纖量子通信以及遠距離自由空間量子通信。在包括Nature（1篇）、Nature Physics（1篇）、Nature Photonics（3篇）、PNAS（1篇）、Physical Review Letters（9篇）等國際學術期刊上發表論文 47 篇，被SCI引用 1 200 余次。主要研究成果包括在國際上首次實現了誘騙態量子密鑰分發，把量子保密通信的安全距離拓展到百公里級，證實了量子通信的實用化前景，并開展了量子通信城域組網系列工作。先后在國際上首次實現可穿透大氣層的糾纏分發和隱形傳態，百公里級自由空間誘騙態 QKD、隱形傳態及雙向糾纏分發，驗證了基于衛星平臺的全球量子通信可行性。其研究成果 1 次入選英國《自然》雜志評選的年度十大科技亮點（features of the year）、1次入選美國物理學會評選的年度物理學重大事件、2次入選兩院院士評選的年度中國十大科技進展新聞。E-mail： pcz@ustc.edu.cn

Peng ChengzhiBorn in October 1976, a full professor for experimental physics at University of Science and Technology of China (USTC). He obtained his Ph.D. degree in 2005 from USTC. He was appointed as the vice-chief engineer of the system for scientific application of the quantum science experiments satellite. His research focuses on fundamental tests of quantum mechanics, long-distance and practical quantum key distribution. He has published more than 40 papers in international journals, including 1 paper in Nature, 1 in Nature Physics, 3 in Nature Photonics, 1 in PNAS, and 9 in Physical Review Letters. His publications have been cited more than 1 200 times (ISI Web of Science) till now. His works in the field of quantum communication and quantum information have been recognized by the American Physics Society as “Highlights of the Year for 2013” in Physics, by Nature as “Features of the Year 2012”, and for twice as “The Top Ten Annual Scientific and Technological Progresses in China”. E-mail： pcz@ustc.edu.cn

潘建偉男，物理學家。中國科學技術大學教授，中科院院士，發展中國家科學院院士，中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心主任，中科院量子科學實驗衛星先導專項首席科學家。1970年 3月生，1999年獲奧地利維也納大學實驗物理博士學位。主要從事量子信息和量子力學基礎問題檢驗等方面的研究。作為國際上量子信息實驗研究領域的先驅和開拓者之一，他是該領域有重要國際影響力的科學家。利用量子光學手段，在量子調控領域取得了一系列有重要意義的研究成果，尤其是關于量子通信和多光子糾纏操縱的系統性創新工作使得量子信息實驗研究成為近年來物理學發展最迅速的方向之一。在包括Nature（11 篇）、Nature Physics（8篇）、Nature Photonics（9篇）、Nature Nanotechnology（2篇）、 PNAS（3篇）、Physical Review Letters（66篇）在內的國際重要學術刊物上發表論文 160余篇，共被引用 13 000 余次。研究成果曾 1 次入選英國《自然》雜志評選的“年度十大科技亮點”、1次入選美國《科學》雜志評選的“年度十大科技進展”、6次入選英國物理學會評選的 “年度物理學重大進展”、5次入選美國物理學會評選的“年度物理學重大事件”、9次入選兩院院士評選的“中國年度十大科技進展新聞”。E-mail： pan@ustc.edu.cn

Pan JianweiMale, Born in March 1970, a full professor of physics at the University of Science and Technology of China (USTC). He obtained his Ph.D. degree in 1999 from the University of Vienna. In 2011, he was elected as the academician of Chinese Academy of Sciences (CAS). In 2011, he was appointed as the chief scientist of the quantum science experiments satellite. In 2012, he was elected as Fellow of the Third World Academy of Sciences (TWAS). In 2014, he was appointed as the director of the CAS Center for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics. The research of Prof. Pan focuses on quantum information and quantum foundations. As one of pioneers in experimental quantum information science, he has accomplished a series of profound achievements, which has brought him worldwide fame. Due to his numerous progresses on quantum communication and multi-photon entanglement manipulation, quantum information science has become one of the most rapidly developing fields of physical science in China in recent years. He has published more than 160 papers in international journals, including 11 papers in Nature, 8 in Nature Physics, 9 in Nature Photonics, 2 in Nature Nanotechnology, 3 in PNAS, and 66 in Physical Review Letters. His publications have been cited more than 13 000 times (ISI Web of Science) till now. His work in the field of quantum information and quantum communication has been recognized by Nature as “Features of the Year 2012”, by Science as “Breakthrough of the Year 1998”, by the American Physical Society websites as “The Top Physics Stories of the Year” (five times), and by the Physics World, Institute of Physics as “Highlights of the Year” (six times). Within China, his work has been selected for nine times as “The Top Ten Annual Scientific and Technological Progresses in China”. E-mail： pan@ustc.edu.cn

Quantum Science Experimental Satellite “Micius”

Peng Chengzhi1,2Pan Jianwei1,2
（1 CAS Centre for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics, Hefei 230026, China; 2 University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China）

At 1：40 a.m. of August 16, 2016, quantum science experiments satellite “Micius” was launched from the Jiuquan Satellite Launch Center. This is the world’s first satellite for quantum science experiments at space scale. After its launch, cooperated with five ground stations, the satellite would be used for scientific missions, including high-speed quantum key distribution between satellite and ground, quantum entanglement distribution and test of nonlocality at space scale, quantum teleportation between ground and satellite, and global scale quantum networks. “Micius” will further strengthen China’s leading position in the field of quantum communication, establish the foundation for future global coverage quantum wide area communications network, and deepen people’s understanding of the basic principles of quantum mechanics.

quantum communication, quantum key distribution, large scale quantum communication network, quantum entanglement distribution, quantum teleportation, quantum non-locality

*資助項目：中科院戰略性先導科技專項“量子科學實驗衛星”（XDA04030000）**通訊作者

修改稿收到日期：2016年9月8日