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「墨子號」實現星地量子密鑰分發和地星量子隱形傳態圓滿完成全部既定科學目標

2021/12/25

科學院日前召開新聞發布會，宣布量子科學實驗衛星「墨子號」在國際上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，兩項成果於8月10日同時在線發表在國際權威學術期刊《自然》雜誌上。這是繼先前在國際上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的研究成果以封面文章形式發表在《科學》雜誌后，科學家利用「墨子號」實現的空間量子物理研究另外兩項重大突破。至此，「墨子號」提前圓滿實現全部三大既定科學目標，為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。

中科院院長、黨組書記白春禮出席發布會並講話。

星地量子密鑰分發和地星量子隱形傳態兩項重大成果由中科院院士、科學技術大學教授潘建偉及其同事彭承志等組成的研究團隊，聯合中科院上海技術物理研究所王建宇研究組、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國家天文台、紫金山天文台、南京天文儀器有限公司、國家空間科學中心等，在中科院空間科學戰略性先導科技專項的支持下完成。

量子通信的研究內容之一是量子密鑰分發。通信安全是國家信息安全和人類經濟社會生活的基本需求。千百年來，人們對於通信安全的追求從未停止。然而，基於計算複雜性的傳統加密技術，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數學和計算能力的不斷提升，經典密碼被破譯的可能性與日俱增。與經典通信不同，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。量子通信的另一重要內容是量子隱形傳態，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。遠距離量子隱形傳態是實現分散式量子信息處理網路的基本單元。

量子通信通常採用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間通道傳輸。但是，這兩種通道的損耗都隨著距離的增加而指數增加。由於量子不可克隆原理，量子通信的信號不能像經典通信那樣被放大，這使得之前量子通信的世界紀錄僅為百公里量級。因此，如何實現安全、長距離、可實用化的量子通信是該領域的最大挑戰和國際學術界幾十年來奮鬥的共同目標。

利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點，通過衛星的輔助可以大大擴展量子通信距離。同時，由於衛星具有方便覆蓋整個地球的獨特優勢，是在全球尺度上實現超遠距離實用化量子密碼和量子隱形傳態最有希望的途徑。從本世紀初以來，該方向已成為了國際學術界激烈角逐的焦點。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。2003年，潘建偉團隊提出了利用衛星實現星地間量子通信、構建覆蓋全球量子保密通信網的方案，隨後於2004年在國際上首次實現了水平距離13公里（大於大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發，驗證了穿過大氣層進行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰略性先導科技專項「量子科學實驗衛星」正式立項。2012年，潘建偉領銜的中科院聯合研究團隊在青海湖實現了首個百公里的雙向量子糾纏分發和量子隱形傳態，充分驗證了利用衛星實現量子通信的可行性。2013年，中科院聯合研究團隊在青海湖實現了模擬星地相對運動和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發實驗，全方位驗證了衛星到地面的量子密鑰分發的可行性。隨後，該團隊經過艱苦攻關，克服種種困難，最終成功研製了「墨子號」量子科學實驗衛星。「墨子號」於2016年8月16日在酒泉衛星發射中心發射升空，經過四個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學實驗。

星地高速量子密鑰分發是「墨子號」的科學目標之一。量子密鑰分發實驗採用衛星發射量子信號，地面接收的方式，「墨子號」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）。衛星上量子誘騙態光源平均每秒發送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300 kbit的安全密鑰，平均成碼率可達1.1 kbps。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合肥量子通信網、濟南量子通信網、京滬幹線等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路。

《自然》雜誌的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，以及公眾媒體極為廣泛的報道」。

地星量子隱形傳態也是「墨子號」的科學目標之一。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」過境時，與海拔5100m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6個待傳送態均以大於99.7%的置信度超越經典極限。倘若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」。

白春禮在講話中，向「墨子號」全體參研參試人員表示熱烈祝賀。他說，2016年8月16日，「墨子號」在酒泉衛星發射中心發射升空，受到國內外高度關注，併入選了習近平總書記2017年新年賀詞。「墨子號」今年1月18日完成在軌測試，正式交付並開展科學實驗。半年以來，科研團隊秉承中科院唯實、求真、協力、創新的一貫作風，精誠合作、刻苦攻關，取得了一系列全球領先的科學成果，贏得了巨大的國際聲譽，標誌著在量子通信領域的研究在國際上達到全面領先的優勢地位。

白春禮表示，「墨子號」全部既定科學目標提前完成，為項目本身畫上了一個圓滿的句號。與此同時，「墨子號」也開啟了全球化量子通信、空間量子物理學和量子引力實驗檢驗的大門，為在國際上搶佔了量子科技創新制高點，成為了國際同行的標杆，實現了「領跑者」的轉變。目前，奧地利已經與中科院科研團隊展開合作，德國、義大利等國家的科研團隊也申請加入，領跑的量子衛星所產生的聚合效應已經顯現。在完成既定科學任務后，「墨子號」也制定了後續拓展實驗計劃，包括基於糾纏的量子密鑰、全天時量子通信等，已經在緊張順利地進行中。預計在衛星設計壽命期內，還將有更多的科學成果陸續發布。

白春禮指出，黨的十八大以來，以習近平同志為核心的黨中央把創新擺到國家發展全局的核心位置，把鼓勵創新的各項政策落到了實處。面對新的形勢、新的機遇，中科院主動擔當，2013年啟動實施「率先行動」計劃，全面推進研究所分類改革，為廣大科研工作者營造適合創新、鼓勵創新的更好氛圍。實際上，「墨子號」就是「率先行動」計劃實施以來，中科院集中組合多個相關研究單元，形成了量子信息與量子科技創新研究院、空間科學研究院、微小衛星創新研究院，依託這幾個創新研究院完成了工程研製和科學成果產出。

白春禮強調，創新永無止境，也容不得半點懈怠，不進則退、慢進也是退。目前，我們在量子通信研究領域保持著領跑優勢，但競爭日趨激烈。美國已經發布了新的量子科研計劃，歐盟、日本也在加緊研究，在新一輪科研比拼中，我們面臨的形勢之嚴峻和壓力之大，都將超過以往。他希望「墨子號」實驗團隊以及更多的科研工作者把握機遇，以時不我待的精神，艱苦奮鬥、勇攀高峰，服務國家、造福人民。

「墨子號」量子衛星是中科院空間科學先導專項在「十二五」期間支持的4顆科學衛星之一，是由完全自主研製的世界上第一顆空間量子科學實驗衛星。該衛星從科學概念的提出到關鍵技術突破，從工程組織實施到科學成果的產出，均由中科院主導完成。