「墨子號」搶佔量子科技制高點

原標題:「墨子號」搶佔量子科技制高點

首次成功實現從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態，昨日凌晨，世界上第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」的這兩項成果同時在線發表在《自然》雜誌上。這是繼率先實現千公里級星地雙向量子糾纏分發和量子力學非定域性檢驗之後，科學家利用「墨子號」實現的空間量子物理研究另兩項重大突破。至此，完全自主研製的「墨子號」提前並圓滿實現全部三大既定科學目標。這標誌著量子通信研究在國際上達到全面領先的優勢地位。

值得一提的是，「墨子號」上的載荷由中科院上海技術物理研究所和科學技術大學共同研製，衛星平台則由上海微小衛星工程中心擔綱研製，量子通信地面站建設由中科院上海光學精密機械研究所參與承擔。其多項關鍵技術來自「科創上海」提前布局和潛心鑽研的成果。

實現千公里級密鑰分發

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。量子密鑰分發通過量子態的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。量子密鑰分發實驗採用衛星發射量子信號，地面接收方式。

「墨子號」量子衛星過境時，與河北興隆地面光學站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。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通道高20個數量級（萬億億倍）。這一重要成果為構建覆蓋全球的量子保密通信網路奠定了可靠的技術基礎。以星地量子密鑰分發為基礎，將衛星作為可信中繼，可以實現地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發範圍擴展到覆蓋全球。

此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網（如京滬幹線）互聯，可以構建覆蓋全球的天地一體化保密通信網路。為此，《自然》雜誌審稿人稱讚星地量子密鑰分發成果是「令人欽佩的成就」和「本領域的一個里程碑」，並斷言「毫無疑問將引起量子信息、空間科學等領域的科學家和普通大眾的高度興趣，並導致公眾媒體極為廣泛的報道」。

用「任意門」實現穿越

地星量子隱形傳態是「墨子號」量子衛星的又一科學目標。它利用量子糾纏可以將物質的未知量子態精確傳送到遙遠地點，而不用傳送物質本身。

量子隱形傳態採用地面發射糾纏光子、天上接收的方式。「墨子號」量子衛星過境時，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，地面向衛星發射糾纏光子，實驗通信距離從500公里到1400公里，所有60個待傳送態均以大於99.7%的置信度超越經典極限。值得一提的是，假設在同樣長度的光纖中重複這一工作，則需要3800億年（宇宙年齡的20倍）才能觀測到1個事例。

這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網路研究，以及空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎。《自然》雜誌審稿人稱讚「這些結果代表了遠距離量子通信持續探索中的重大突破」，「這個目標非常新穎並極具挑戰性，它代表了量子通信方案現實實現中的重大進步」。

多項關鍵技術來自上海

值得一提的是，「墨子號」的多項關鍵技術來自上海。量子衛星上的載荷由中科院上海技術物理研究所和科學技術大學共同研製，衛星平台則由上海微小衛星工程中心擔綱研製，量子通信地面站建設由中科院上海光學精密機械研究所參與承擔。

經過科學院、上海市政府及各方相關部門的通力合作，僅用了10多年的時間就站在了星地量子通信領域的世界最前列，而上海也成為量子通信科研的「前沿重鎮」。目前，上海在光的產生、操作、存儲、傳輸、探測各個方面儲備了人才。