2016年8月16日，世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，我國在衛(wèi)星量子通信上邁出了人類第一步。2024年，中國的“量子星座”正在醞釀中，成功后，將能提供高效率的全球化量子通信網(wǎng)絡服務。
在量子物理領域中，我國已經(jīng)在量子信息方向上實現(xiàn)從跟跑到部分領跑的轉(zhuǎn)變。而這一優(yōu)勢，將在我國科技工作者不斷自主創(chuàng)新的實踐中繼續(xù)保持。
把量子通信實驗搬到太空中
“嚇了一跳”，這是中國科學院上海技術(shù)物理研究所研究員、“墨子號”工程常務副總設計師兼衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮王建宇聽到“墨子號”想法的第一感覺。為了解決光纖傳輸信號損失嚴重的問題，潘建偉團隊想把量子通信實驗搬到太空中。
“之前的實驗表明，光纖傳輸?shù)牧孔油ㄐ判盘栐?00公里以上就幾乎被吸收殆盡?！敝袊茖W技術(shù)大學教授、中國科學院院士潘建偉介紹。那么，該如何實現(xiàn)安全的遠距離量子密鑰分發(fā)呢？早在2003年，年輕的潘建偉提出一個大膽的想法：外太空幾乎是真空，光信號損耗非常小，利用量子衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)站，可以將多個城市的城域量子通信網(wǎng)絡連接起來，極大地延長量子通信距離。
這是一個前所未有、挑戰(zhàn)技術(shù)極限的科學創(chuàng)新，是個“瘋狂的想法”。但潘建偉認為：“過去，我們在科研領域常常扮演追隨者和模仿者的角色，研究方向的選定、科研項目的設立都先要看看國際上有沒有人做過。量子信息是一個全新學科，我們必須學會和習慣做開拓者?！?/p>
科學，需要大膽設想，也要小心求證。為了驗證這個想法，研究團隊付出了很多。他們在北京八達嶺長城附近和河北省張家口市懷來縣古城遺址之間搭起通信平臺，用兩年時間完成了16公里的自由空間量子隱形傳態(tài)實驗；他們在青海湖中的海心島上搭帳篷做實驗，吃、喝、燃料都依賴每月一次的補給，連洗澡都無法保證，終于實現(xiàn)了百公里自由空間量子隱形傳態(tài)和雙向糾纏分發(fā)，驗證了在高損耗星地鏈路中實現(xiàn)量子通信的可行性；他們用吊車、卡車、熱氣球、飛機，想盡一切辦法進行星地之間量子通信的模擬實驗……終于，研究團隊突破了高精度捕獲跟瞄技術(shù)、高靈敏能量分辨探測技術(shù)、星載量子光源技術(shù)等技術(shù)瓶頸，為量子衛(wèi)星的研制鋪平了道路。
2011年11月，中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項“量子科學實驗衛(wèi)星”正式立項。接下來的5年中，圍繞衛(wèi)星研制，中國科學院集中優(yōu)勢力量攻關：衛(wèi)星工程由中國科學院國家空間科學中心抓總負責；中國科大負責科學目標的提出和科學應用系統(tǒng)的研制；中國科學院上海微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院抓總研制衛(wèi)星系統(tǒng)，中國科學院上海技術(shù)物理研究所聯(lián)合中國科大研制有效載荷分系統(tǒng)；中國科學院國家空間科學中心牽頭負責地面支撐系統(tǒng)研制、建設和運行，對地觀測與數(shù)字地球科學中心等單位參與。
2016年8月，“墨子號”成功發(fā)射！發(fā)射入軌后的一年時間內(nèi)，“墨子號”圓滿完成了全部預定科學實驗任務：在國際上首次完成千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)實驗、完成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、國際上首次成功實現(xiàn)從衛(wèi)星到地面的千公里級量子密鑰分發(fā)和地面到衛(wèi)星的千公里量子隱形傳態(tài)。此后，我國科學家基于“墨子號”積極開展國際合作，實現(xiàn)了北京—維也納的洲際量子密鑰分發(fā)，共同探索實現(xiàn)全球化量子通信的可行性。“墨子號”不斷創(chuàng)造紀錄，讓中國在空間量子科學研究領域處于引領地位。
“量子星座”，未來可期
如今，量子通信已成為最先進入實用化階段的量子信息技術(shù)。據(jù)了解，上海區(qū)域內(nèi)目前已經(jīng)建成國內(nèi)首張運營商級的商用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡，可支持不少于100萬的用戶容量。而預計到今年年底，中國電信將在全國10~15個城市部署量子城域網(wǎng)，未來將與骨干網(wǎng)打通，并最終形成天地一體的量子通信網(wǎng)絡。
“墨子號”的成功，讓世界掀起一輪空間量子物理的熱潮。2017年，美國宇航局發(fā)布了關于未來空間量子物理發(fā)展的白皮書，歐洲航天局發(fā)布了空間量子技術(shù)白皮書。國際學術(shù)期刊《科學》曾發(fā)表社論，認為是“墨子號”給美國政府敲響了警鐘，最終促使美國在2018年通過《國家量子行動法案》。
激烈的競爭中，中國該如何保持領先？中國科學家有成竹在胸的規(guī)劃。就在10月2日墨子量子科技基金會舉辦的新聞發(fā)布會上，潘建偉表示，中國有望在量子中繼和量子星座兩方面取得關鍵技術(shù)突破。
在量子中繼方面，中國團隊正在研究可支持上千公里量子通信的量子中繼技術(shù)，有望在未來5~6年內(nèi)實現(xiàn)遠距離的城際光纖量子傳輸。這能夠?qū)崿F(xiàn)量子網(wǎng)絡的大規(guī)模覆蓋，大幅擴展量子通信的應用范圍。
在“量子星座”方面，我國已于2022年7月成功發(fā)射第一顆低軌量子微納衛(wèi)星，或在明年再發(fā)射兩到三顆低軌道衛(wèi)星。中高軌量子科學實驗衛(wèi)星正在研制中，有望在2026年底具備發(fā)射條件。未來，由中高軌量子衛(wèi)星和實用化的低軌微納衛(wèi)星組成的“量子星座”，將與地面上的光纖量子網(wǎng)絡連接，構(gòu)建全球化廣域量子通信網(wǎng)絡。
這不僅僅是技術(shù)上的成功，還將在科學上取得更多突破：或許，我們將重新定義時間單位“秒”；或許，我們將驗證量子引力理論的真?zhèn)危换蛟S，我們能夠開展引力波的新探測；或許，我們能夠在月球建立基地，實現(xiàn)地月量子糾纏分發(fā)……
這些，不是夢。從“墨子號”出發(fā)，中國科技工作者一步一個腳印，向量子科技的高峰攀登！
