“在量子通信領域，當大多數(shù)人仍致力于在實驗室內(nèi)部的原理性演示時，我們已經(jīng)開始思考如何能夠在太空中實現(xiàn)量子信息傳輸?！?月16日，當全球第一顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”成功進入太空時，量子科學實驗衛(wèi)星工程首席科學家潘建偉回想起了中國科學家們過去十多年來的不懈追求。
在量子通信的國際競賽中，中國起步并非最早，但在潘建偉等人的努力下，已經(jīng)實現(xiàn)“彎道超車”，成為首個將量子科學實驗衛(wèi)星送入太空的國家?！拔覀儗⒁I全世界在量子通信方面的研究?！彼f。
從光纖到衛(wèi)星
發(fā)射量子科學實驗衛(wèi)星的計劃，要追溯到13年前。
近年來，量子信息科學成為物理學和信息科學領域最活躍的研究前沿之一。利用量子調(diào)控技術，能夠用一種革命性的方式對信息進行編碼、存儲、傳輸和操縱，在確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度等方面突破經(jīng)典信息技術的瓶頸。
“量子通信是迄今唯一被嚴格證明為無條件安全的通信方式。量子不可分割、不可克隆，所以能保證加密內(nèi)容不被破譯。它可以從根本上保障信息安全、保護全人類的隱私?！迸私▊フf，量子通信的實用化和產(chǎn)業(yè)化成為歐盟、美國、日本等爭相追逐的目標。
2001年，潘建偉回國建立量子信息實驗室。2007年，他的團隊在世界上首次利用誘騙態(tài)方案實現(xiàn)了安全距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)實驗。在此基礎上，我國在城市范圍內(nèi)通過光纖構(gòu)建了城域量子通信網(wǎng)絡，成為城域量子通信網(wǎng)絡的全球領先者。
“但光纖存在損耗問題?！迸私▊フf，要實現(xiàn)覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)。早在2003年，潘建偉便提出了發(fā)射量子衛(wèi)星的構(gòu)想，而當時很多科學家對量子通信的構(gòu)想還停留在實驗室。經(jīng)過多年研究，2011年，我國正式啟動量子科學實驗衛(wèi)星工程，并將其列入空間科學先導專項。
完全靠自己
“墨子號”量子衛(wèi)星的設計壽命為兩年，潘建偉為這顆第一個踏入太空的量子衛(wèi)星布置了“作業(yè)”：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，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；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，檢驗量子力學在大尺度范圍的有效性。
這些實驗將通過我國自主研發(fā)的星地量子通信設備完成，它能夠產(chǎn)生經(jīng)過編碼的，甚至是糾纏的光子并發(fā)射到地面上，與之對接的地面系統(tǒng)則負責接收光子。為此，我國建設了以4個量子通信地面站和1個量子隱形傳態(tài)實驗站為核心的天地一體化量子科學實驗系統(tǒng)。
但是，要完成“作業(yè)”并不輕松。量子衛(wèi)星在飛行的過程中，攜帶的兩個激光器要分別瞄準兩個地面站，向左向右同時傳輸量子密鑰?！皣獾墓馔ㄐ判l(wèi)星都是瞄準一個地面站，一顆衛(wèi)星對準兩個地面站的從來沒有過，而且還要保證對得準，技術難度很大?！绷孔涌茖W實驗衛(wèi)星工程常務副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說。
這種高精度的跟蹤和地面站配合到底有多難？王建宇打了個比方：坐在萬米高空的飛機上，向地下連續(xù)扔下一枚枚硬幣，要保證每一枚硬幣都要扔進線型開口的儲蓄罐，而且儲蓄罐還在旋轉(zhuǎn)。
為了實現(xiàn)這種精度，王建宇與潘建偉等從2012年起就開始進行各種實驗。“以前做航天工作，多少能找到一些參考，看看人家是怎么做的，自己怎么改進和超過。但這次是別人從沒做過的，完全靠自己解決?！蓖踅ㄓ罡锌?。
走入千家萬戶
“墨子號”量子衛(wèi)星升天后，將結(jié)合我國地面即將建成的“京滬干線”千公里級廣域量子通信骨干網(wǎng)絡，初步構(gòu)建我國空地一體的廣域量子通信體系，為率先建成全球化的量子通信網(wǎng)絡奠定基礎。
“但衛(wèi)星的發(fā)射并不代表我們的努力就到此為止?！迸私▊フf，單顆低軌衛(wèi)星無法覆蓋全球，同時由于強烈的太陽光背景，目前的星地量子通信只能在地影區(qū)進行。要實現(xiàn)高效的全球化量子通信，還需要形成一個衛(wèi)星的網(wǎng)絡。
繼“量子科學實驗衛(wèi)星”項目之后，我國還將計劃開展空間站“量子調(diào)控與光傳輸研究”項目。該項目將研究星間量子通信技術、全天時量子通信技術等，同時進行量子密鑰組網(wǎng)應用、多種技術體制的空間激光通信驗證、量子密鑰分發(fā)與激光通信復合的加密信息傳輸系統(tǒng)等應用研究，為下一步的衛(wèi)星組網(wǎng)奠定技術基礎。
“如果進展順利，國家也支持發(fā)射多顆量子通信衛(wèi)星，那么有希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡?！迸私▊フf，他的愿望是爭取用15年左右時間使量子通信進入千家萬戶。（記者 陳海波）
