開路先鋒“墨子號”

彭承志++潘建偉

“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，是中國科學院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項中首批確定的5顆科學實驗衛(wèi)星之一。該項目是衛(wèi)星與地面遠距離量子科學實驗平臺，我國將依仗這一平臺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的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，它克服了經(jīng)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，可以從根本上解決政務、國防、金融、商業(yè)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(chǎn)業(yè)化，我國在這方面已經(jīng)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(tài)的不可復制性，目前點對點光纖量子通信的距離難以突破百千米量級。因此，要實現(xiàn)廣域乃至全球化的量子通信網(wǎng)絡，還需要借助衛(wèi)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了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(xiàn)了 13 千米自由空間的量子糾纏分發(fā)和量子密鑰分發(fā)，在國際上首次證實了光子糾纏態(tài)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。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(chuàng)新工程重大項目的支持下，潘建偉團隊聯(lián)合中科院上海技術物理所、中科院微小衛(wèi)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(xiàn)了16千米級自由空間量子隱形傳態(tài)、100千米級自由空間量子隱形傳態(tài)和雙向量子糾纏分發(fā)、星地量子通信的全方位地基驗證等重要實驗，為實現(xiàn)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 “量子科學實驗衛(wèi)星”正式立項。量子科學實驗衛(wèi)星建設和研制任務包括衛(wèi)星系統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、地面支撐系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和科學應用系統(tǒng)6大系統(tǒng)。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(tǒng)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(fā)射機;上海微小衛(wèi)星工程中心負責衛(wèi)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(wèi)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(tài)保持與基矢校正、星載量子糾纏源等一系列關鍵工程技術。

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地將世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。“墨子號”重量約640千克，設計壽命為2年，在高度約 500千米的極地軌道上運行。2017年1月18日，“墨子號”圓滿完成了4個月的衛(wèi)星平臺測試、有效載荷自測試和天地一體化鏈路測試，衛(wèi)星平臺和有效載荷工作一切正常，成功構建了星地單向、星地雙向、地星單向量子信道，系統(tǒng)信道效率、時間同步精度、跟蹤瞄準精度均超過系統(tǒng)指標要求，可以滿足空間量子科學實驗的要求。

按照計劃，科學家們將在首席科學家的領導下，完成星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網(wǎng)絡、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)等多項科學實驗任務，實現(xiàn)專項預定的科學目標：一是進行星地高速量子密鑰分發(fā)實驗，并在此基礎上進行廣域量子密鑰網(wǎng)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;二是在空間尺度進行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。

截至2017年8月，“墨子號”擔負的既定科學目標已圓滿實現(xiàn)。

高速量子密鑰分發(fā)及

廣域量子密鑰網(wǎng)絡實驗

量子密鑰分發(fā)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(fā)協(xié)議，即著名的BB84協(xié)議。該協(xié)議基于單個光量子不可分割和量子不可克隆原理，發(fā)送方和接收方可以采用單光子的狀態(tài)作為信息載體來建立密鑰。而竊聽者不能分割和復制單光子，能做的只是截取單光子后測量其狀態(tài)，然后根據(jù)測量結果發(fā)送一個相同狀態(tài)的光子給接收方，但由于竊聽者的測量行為會對光子的狀態(tài)產(chǎn)生擾動，其發(fā)送給接收方的光子的狀態(tài)與其原始狀態(tài)會存在偏差，那么發(fā)送方和接收方可以利用這個偏差探測到竊聽行為，并可以立刻停止密鑰分發(fā)，換個地方重新來過，因而保證了量子密鑰分發(fā)的無條件安全性。Shor、Preskill、Lutkenhaus和Mayer等人先后獨立地證明了使用理想單光子源的BB84 協(xié)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，給出了量子密鑰的安全成碼效率公式。

1991年，Bennett等人在32厘米的距離上演示了首個量子密鑰分發(fā)。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(fā)實驗演示。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1.1千米的量子密鑰分發(fā)演示實驗。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 千米和50 千米光纖中演示了量子密鑰分發(fā)。2004年，英國劍橋大學Shields小組和日本NEC公司分別實現(xiàn)了122千米和150 千米的光纖量子密鑰分發(fā)演示性實驗。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(xiàn)了125千米光纖的量子密鑰分發(fā)演示性實驗。至此，國際上已有3個實驗小組聲稱成功達成了100千米以上的量子通信。

然而，科學家在理想單光子源的實用化上一直沒有滿意的結果，只得利用弱相干光源來代替。但由于弱相干光源中存在多光子事件，如同Brassard所指出的，這就存在所謂的“分離光子數(shù)”攻擊，即竊聽者可以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。根據(jù)理論推算，這些演示實際上在光纖長度超過10千米時已經(jīng)不安全了。這就嚴重影響了量子密鑰分發(fā)技術的實用化。

2005年，華人科學家王向斌、羅開廣、馬雄峰和陳凱等人提出了經(jīng)過嚴格理論分析的誘騙態(tài)方案。他們指出，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(tài)方案，在國際上首次將利用誘騙態(tài)方案的光纖量子通信安全距離延長到100千米，從而打開了量子密鑰分發(fā)技術實用化的大門。在此基礎上，潘建偉團隊在2008年和 2009年先后實現(xiàn)了國際上首個光量子電話網(wǎng)和全通型城域量子通信網(wǎng)絡。2009年，潘建偉團隊又在世界上率先將誘騙態(tài)方案量子密鑰分發(fā)的安全距離突破至200千米。

地面光纖網(wǎng)絡建成后，他們又將目光投向了通過衛(wèi)星實現(xiàn)星地之間的量子密鑰分發(fā)，從而滿足更遠距離的量子保密通信需求。基于衛(wèi)星等航天器的空間量子通信有著地面光纖量子通信網(wǎng)絡無法比擬的兩大優(yōu)勢：一是在同樣距離下，光子在光纖中的損耗遠高于在自由空間的損耗，光子在自由空間的損耗只來自于光斑的發(fā)散、大氣對光子的吸收和散射，遠小于光纖;二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(wǎng)絡，必需依賴衛(wèi)星的中轉。

“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星項目中設置了星地高速量子密鑰分發(fā)科學實驗任務，即在高精度捕獲、跟蹤、瞄準系統(tǒng)的輔助下，建立地面與衛(wèi)星之間超遠距離的量子信道，實現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)，因此屬于無條件安全的星地量子保密通信實驗，為建立全球范圍的量子通信網(wǎng)絡打下技術基礎。

“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星將在實現(xiàn)高速星地量子密鑰分發(fā)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(wǎng)絡相結合，通過衛(wèi)星中轉的方式組建真正意義上的廣域量子通信網(wǎng)絡。

量子糾纏分發(fā)和

貝爾不等式檢驗

諾貝爾物理學獎獲得者Anthony Leggett指出：要實現(xiàn)對量子非定域性的終極檢驗，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，那么量子糾纏的分發(fā)要達到數(shù)十萬千米的距離。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。

科研人員在安裝“墨子號”衛(wèi)星星箭分離解鎖機構。

“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星將量子糾纏光源放置于衛(wèi)星平臺上，同時向兩個相距千千米級的地面站進行雙向量子糾纏分發(fā)。在完成量子糾纏分發(fā)后，對糾纏光子同時進行獨立的量子測量，檢驗糾纏態(tài)在星地大尺度下的糾纏特性。這也標志著在世界上首次開展了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(xiàn)引入自由意志的量子非定域性終極檢驗奠定技術基礎。2017年6月， “墨子號”量子衛(wèi)星上配置的量子糾纏光源及兩套發(fā)射望遠鏡，同時與青海德令哈站和云南麗江站兩個地面站建立了光鏈路，星地建立了雙向量子信道，此時衛(wèi)星將糾纏光子發(fā)送到地面站，由地面站對糾纏光子進行測量。最終獲得的實驗結果以99.9%的置信度破壞了貝爾不等式，即在1200千米的空間尺度上再次表明，愛因斯坦的愿望落空了。這是世界上首次實現(xiàn)千千米級的量子糾纏，將量子糾纏分發(fā)的世界紀錄提高了一個數(shù)量級。

地星量子隱形傳態(tài)實驗

量子隱形傳態(tài)（Quantum teleportation），是在量子糾纏的輔助下，將粒子的未知量子態(tài)傳送到遙遠的距離，而不用傳送這個粒子本身。因為量子計算需要直接處理量子比特，于是“量子隱形傳態(tài)”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、多終端、多自由度的量子隱形傳態(tài)是構建分布式量子信息處理網(wǎng)絡的基本單元。

“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)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(fā)射望遠鏡發(fā)送到衛(wèi)星平臺，在地面將剩余糾纏態(tài)與待傳送態(tài)進行聯(lián)合糾纏測量，衛(wèi)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(tài)通過隱形傳態(tài)的過程傳遞到衛(wèi)星平臺上，實現(xiàn)基于光子糾纏的地星量子隱形傳態(tài)實驗。

研究人員在阿里量子隱形傳態(tài)實驗平臺操縱設備，準備與“墨子號”聯(lián)系。

“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星的成功研制和發(fā)射，標志著中國進一步擴大了在量子通信領域國際領先的優(yōu)勢，也標志著在實現(xiàn)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，實現(xiàn)了國家信息安全和信息技術水平跨越式提升。2016 年底，由中國科學技術大學牽頭承擔的國家發(fā)改委“京滬干線”廣域量子通信骨干網(wǎng)絡工程已全線貫通。“京滬干線”已建成連接北京、上海，貫穿濟南、合肥等地的，全長約2000千米的大尺度量子通信技術驗證、應用研究和應用示范平臺。未來，這條“干線”可為沿線城市間的金融機構、政府及國家安全部門提供高速、高安全等級的信息傳輸保障。待到量子科學實驗衛(wèi)星和“京滬干線”結合起來，就將初步構建成我國天地一體化的廣域量子通信網(wǎng)絡基礎設施，推動量子通信技術的深入應用，并形成戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

“墨子號”成功實現(xiàn)了國際上首次千千米級的星地雙向量子糾纏分發(fā)，實現(xiàn)了空間尺度下嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗。這一重大突破被國際最頂尖的權威學術期刊《科學》以封面形式發(fā)表。“墨子號”對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了基礎。此外，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。