墨子號：樹起量子通信中國標桿

吳長鋒

近日，美國科學促進會宣布，“墨子號”量子科學實驗衛星科研團隊被授予2018年度克利夫蘭獎，以表彰該團隊通過實現千公里級星地雙向量子糾纏分發，為推動大尺度量子通信實驗研究做出的卓越貢獻。這是該獎設立九十余年來，中國科學家在本土完成的科研成果首次獲得這一重要榮譽。而幾個月前，2018年12月17日，“墨子號”量子科學實驗衛星完成的洲際量子密鑰分發研究成果，還被列入美國物理學會2018年度國際物理學領域的十項重大進展。

圓滿實現三大科學目標

“‘墨子號量子衛星圓滿實現預定的全部三大科學目標，為我國在未來繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。”中國科學技術大學潘建偉教授告訴筆者。

由于量子不可克隆原理，量子通信的信號不能像經典通信那樣被放大，又由于光纖信道的固有衰減，量子通信的距離受到很大限制。利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點，通過衛星輔助可以大大擴展量子通信距離。潘建偉團隊為實現星地量子通信開展了一系列先驅性的實驗研究。“墨子號”量子科學實驗衛星于2016年8月16日在酒泉衛星發射中心成功發射，2017年1月18日正式開展科學實驗。

星地高速量子密鑰分發是“墨子號”量子衛星的科學目標之一。“墨子號”量子衛星與河北興隆地面光學站建立了光鏈路，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數量級（萬億億倍）。

實現地星量子隱形傳態是“墨子號”量子衛星的又一科學目標。量子隱形傳態可利用量子糾纏將粒子的未知量子態精確傳送到遙遠地點，而不用傳送粒子本身。“墨子號”量子隱形傳態實驗采用地面發射糾纏光子、天上接收的方式。衛星過境時與海拔5100米的西藏阿里地面站建立光鏈路，地面光源每秒產生8000個量子隱形傳態事例，向“墨子號”量子衛星發射糾纏光子，實驗通信距離從500公里到1400公里，所有6個待傳送態均以大于99.7%的置信度超越經典極限。

量子糾纏被愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”，也是量子力學最神奇的現象之一。由于量子糾纏非常脆弱，以往的量子糾纏分發實驗只停留在百公里的距離。這種“鬼魅般的超距作用”在更遠的距離上是否仍然存在？會不會受到引力等其他因素的影響？作為衛星的三大科學實驗任務之一，“墨子號”量子衛星在國際上首次在空間尺度上開展了量子糾纏分發實驗。

“墨子號”衛星上的糾纏源載荷每秒產生800萬個糾纏光子對，可以每秒1對的速度在地面超過1200公里的兩個站之間建立量子糾纏，量子糾纏的傳輸衰減僅是地面光纖的一萬億分之一。

開啟全球量子通信時代

“墨子號”量子科學實驗衛星取得的一系列科學實驗成果，在獲得國際上盛大贊譽與好評的同時，也開啟了全球化量子通信時代之門。

星地量子密鑰分發的實現，為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了可靠的技術基礎。以此為基礎，將衛星作為可信中繼，可實現地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發范圍擴展到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網互聯，可以構建覆蓋全球的天地一體化保密通信網絡。

星地量子糾纏分發和地星量子隱形傳態的實現，使人們可以利用量子糾纏所建立起的量子信道，構建起量子信息處理網絡的基本單元，同時也為未來開展大尺度量子網絡和量子通信實驗研究，以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的實驗檢驗奠定了可靠的技術基礎。

而在“墨子號”三大預定科學實驗任務完成之后，2018年初，通過與奧地利科學院的國際合作，“墨子號”量子衛星首次實現了北京和維也納之間相距約7600公里的洲際量子保密通信。這一成果也被美國物理學會評選為2018年度國際物理學十大進展之一。

2018年，素有著諾貝爾獎風向標之稱的“沃爾夫物理學獎”在獲獎者介紹中專門提到：“量子密鑰分發已經成功實現商業化，在光纖中已經能做到幾百公里，用衛星可以做到上千公里”。而這兩個紀錄正是潘建偉團隊創造的，一個是光纖量子密鑰分發最遠安全距離做到404公里，另一個就是“墨子號”做到的星地1200公里，這是中國科學家的貢獻，也是中國量子通信領先世界的標志。

“量子通信利用量子力學原理對量子態進行操控，可以完成經典通信所不能完成的任務。”潘建偉說，量子密鑰分發可以實現無條件安全的密鑰分發，就算竊聽者有全宇宙最強的計算機，哪怕是量子計算機，也不能破解加密后的信息。使用量子密鑰分發技術可以幫助實現通信安全中機密性、真實性和不可否認性的無條件安全，也就是說，保證通信加密無法破譯，保證對方身份真實可靠，保證信息無法被篡改。

標準化是產業成熟發展基石

2013年，我國啟動量子保密通信京滬干線工程建設，目前除了按計劃接入的金融用戶外，電力系統、大數據互聯網企業也正在接入，央行已經在制定金融領域接入使用的相關標準。

幾乎同時，世界主要的發達國家都已經或正在加緊實施遠距離量子通信干線工程。意大利量子通信骨干網用戶囊括了意大利國家計量研究院、歐洲非線性光譜實驗室等多家研究機構和公司;英國正在建設英國國家量子通信測試網絡;俄羅斯量子中心建成了專用于傳遞真實金融數據的實用量子通信線路;韓國第一階段環首爾地區的量子保密通信網絡，除為公共行政事務、警察和郵政等領域服務外，正在向國防和金融領域拓展……

“京滬干線將帶動整個產業鏈的發展，特別是在核心元器件國產化和相關標準制定方面。”潘建偉說，當前率先實用化的量子保密通信技術（或稱量子密鑰分發，QKD）正在蓬勃發展，取得了長足的進步，但要進一步實現QKD從實用化到產業化規模應用，還面臨著不少挑戰。其中，標準化是關鍵一步，是未來產業成熟發展的基石。

目前，我國正全力推進QKD標準化相關工作。2017年6月，工信部中國通信標準化協會（CCSA）成立量子通信與信息技術特設組，已有44家會員單位，正在圍繞量子保密通信標準體系的術語、應用場景、網絡架構、技術要求、測試方法、應用接口等內容編制有關國家標準和行業標準。另外，我國專家在ISO/IEC國際標準化組織啟動了QKD的全球首個國際標準項目，正式開啟了QKD的國際標準化進程。

“與任何一項新技術的發展一樣，量子通信技術的應用和發展也需要實驗和應用示范。”對于工程化和實用化，潘建偉一直秉持這樣的觀點，一方面要謹慎論證，另一方面也要積極部署，因為有應用才有進步、才有未來。