不断创造纪录的“墨子号”

  2016年8月16日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心发射升空，我国在卫星量子通信上迈出了人类第一步。2024年，中国的“量子星座”正在酝酿中，成功后，将能提供高效率的全球化量子通信网络服务。

  在量子物理领域中，我国已经在量子信息方向上实现从跟跑到部分领跑的转变。而这一优势，将在我国科技工作者不断自主创新的实践中继续保持。

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  把量子通信实验搬到太空中

  “吓了一跳”，这是中国科学院上海技术物理研究所研究员、“墨子号”工程常务副总设计师兼卫星系统总指挥王建宇听到“墨子号”想法的第一感觉。为了解决光纤传输信号损失严重的问题，潘建伟团队想把量子通信实验搬到太空中。

  “之前的实验表明，光纤传输的量子通信信号在200公里以上就几乎被吸收殆尽。”中国科学技术大学教授、中国科学院院士潘建伟介绍。那么，该如何实现安全的远距离量子密钥分发呢？早在2003年，年轻的潘建伟提出一个大胆的想法：外太空几乎是真空，光信号损耗非常小，利用量子卫星作为中转站，可以将多个城市的城域量子通信网络连接起来，极大地延长量子通信距离。

  这是一个前所未有、挑战技术极限的科学创新，是个“疯狂的想法”。但潘建伟认为：“过去，我们在科研领域常常扮演追随者和模仿者的角色，研究方向的选定、科研项目的设立都先要看看国际上有没有人做过。量子信息是一个全新学科，我们必须学会和习惯做开拓者。”

  科学，需要大胆设想，也要小心求证。为了验证这个想法，研究团队付出了很多。他们在北京八达岭长城附近和河北省张家口市怀来县古城遗址之间搭起通信平台，用两年时间完成了16公里的自由空间量子隐形传态实验；他们在青海湖中的海心岛上搭帐篷做实验，吃、喝、燃料都依赖每月一次的补给，连洗澡都无法保证，终于实现了百公里自由空间量子隐形传态和双向纠缠分发，验证了在高损耗星地链路中实现量子通信的可行性；他们用吊车、卡车、热气球、飞机，想尽一切办法进行星地之间量子通信的模拟实验……终于，研究团队突破了高精度捕获跟瞄技术、高灵敏能量分辨探测技术、星载量子光源技术等技术瓶颈，为量子卫星的研制铺平了道路。

  2011年11月，中国科学院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。接下来的5年中，围绕卫星研制，中国科学院集中优势力量攻关：卫星工程由中国科学院国家空间科学中心抓总负责；中国科大负责科学目标的提出和科学应用系统的研制；中国科学院上海微小卫星创新研究院抓总研制卫星系统，中国科学院上海技术物理研究所联合中国科大研制有效载荷分系统；中国科学院国家空间科学中心牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行，对地观测与数字地球科学中心等单位参与。

  2016年8月，“墨子号”成功发射！发射入轨后的一年时间内，“墨子号”圆满完成了全部预定科学实验任务：在国际上首次完成千公里级星地双向量子纠缠分发实验、完成了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验、国际上首次成功实现从卫星到地面的千公里级量子密钥分发和地面到卫星的千公里量子隐形传态。此后，我国科学家基于“墨子号”积极开展国际合作，实现了北京—维也纳的洲际量子密钥分发，共同探索实现全球化量子通信的可行性。“墨子号”不断创造纪录，让中国在空间量子科学研究领域处于引领地位。

  “量子星座”，未来可期

  如今，量子通信已成为最先进入实用化阶段的量子信息技术。据了解，上海区域内目前已经建成国内首张运营商级的商用量子密钥分发网络，可支持不少于100万的用户容量。而预计到今年年底，中国电信将在全国10~15个城市部署量子城域网，未来将与骨干网打通，并最终形成天地一体的量子通信网络。

  “墨子号”的成功，让世界掀起一轮空间量子物理的热潮。2017年，美国宇航局发布了关于未来空间量子物理发展的白皮书，欧洲航天局发布了空间量子技术白皮书。国际学术期刊《科学》曾发表社论，认为是“墨子号”给美国政府敲响了警钟，最终促使美国在2018年通过《国家量子行动法案》。

  激烈的竞争中，中国该如何保持领先？中国科学家有成竹在胸的规划。就在10月2日墨子量子科技基金会举办的新闻发布会上，潘建伟表示，中国有望在量子中继和量子星座两方面取得关键技术突破。

  在量子中继方面，中国团队正在研究可支持上千公里量子通信的量子中继技术，有望在未来5~6年内实现远距离的城际光纤量子传输。这能够实现量子网络的大规模覆盖，大幅扩展量子通信的应用范围。

  在“量子星座”方面，我国已于2022年7月成功发射第一颗低轨量子微纳卫星，或在明年再发射两到三颗低轨道卫星。中高轨量子科学实验卫星正在研制中，有望在2026年底具备发射条件。未来，由中高轨量子卫星和实用化的低轨微纳卫星组成的“量子星座”，将与地面上的光纤量子网络连接，构建全球化广域量子通信网络。

  这不仅仅是技术上的成功，还将在科学上取得更多突破：或许，我们将重新定义时间单位“秒”；或许，我们将验证量子引力理论的真伪；或许，我们能够开展引力波的新探测；或许，我们能够在月球建立基地，实现地月量子纠缠分发……

  这些，不是梦。从“墨子号”出发，中国科技工作者一步一个脚印，向量子科技的高峰攀登！（记者 齐芳 常河）