作為全球首顆量子衛(wèi)星其獨特之處在哪里?“墨子號”都承擔了哪些科學任務?量子衛(wèi)星又是如何實現“針尖對麥芒”般的精準定位的?伴隨著地面光纖量子通信網絡“京滬干線”的建設完成，我國將初步建立起世界上首個廣域量子通信體系，人類正在步入量子信息的嶄新時代，“絕對安全”的信息傳遞將為社會進步注入新的發(fā)展能量。

隨著我國發(fā)射的世界上首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”的順利升空，中國將成為全球第一個實現衛(wèi)星和地面之間量子通信的國家，我國將實現“天地一體化”量子通信網絡的初步構建，這也將成為量子通信領域的中國最強音。作為迄今為止唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式，量子通信技術在金融、軍事和政務等領域的應用前景得到了世界各國的廣泛關注，美國、日本等國也啟動了相關的研究計劃。此次“墨子號”的發(fā)射，更鞏固了我國在量子通信領域的世界領先地位。

獨一無二的“量子衛(wèi)星”

“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星是中科院空間科學先導專項首批4顆科學衛(wèi)星之一，是繼暗物質粒子探測衛(wèi)星“悟空”、微重力返回式科學實驗衛(wèi)星“實踐十號”之后的第三顆科學實驗衛(wèi)星，其主要任務是開展基于衛(wèi)星平臺的廣域量子通信和量子力學基礎原理檢驗。那么具體的科研任務有哪些?

中國科學技術大學常務副校長、中科院量子科學實驗衛(wèi)星先導專項首席科學家潘建偉表示，此次“墨子號”量子實驗衛(wèi)星的主要科研任務有三個：首先，通過量子衛(wèi)星實現衛(wèi)星和地面的量子密鑰分發(fā)，從而實現廣域的量子保密通信。潘建偉解釋，之所以需要通過發(fā)射衛(wèi)星來建立天地之間的量子通信網絡，是由于地面信號的傳輸主要以光纖為媒介，而光纖傳輸的過程中信號損失相當嚴重，實驗表明光纖傳輸的量子通信信號在兩百公里以后就幾乎被吸收殆盡，如果人類想實現遠距離的量子通信傳輸就必須建立多個安全可信的信號中繼站，這無疑大大增加了信息泄露的幾率?？茖W家們經過研究發(fā)現，光在穿透大氣層的過程中能量損失僅為百分之二十，也就是說天地之間數千公里甚至上萬公里的距離，光在其間傳輸的損耗要遠遠低于在地面光纖網絡中傳輸的損耗。利用這一原理，人類利用空間中的量子衛(wèi)星作為地面網絡的中轉站，可以將地面多個城市中建立起的城際量子通信網絡連接起來，從而極大地提高量子通信的效率。其次，“墨子號”還承擔著對量子力學本身的基本原理進行檢驗的實驗任務。量子糾纏態(tài)是量子力學中的一個經典現象，即在多粒子量子系統(tǒng)中，一對具有量子糾纏態(tài)的粒子，即使相隔極遠，當其中一個狀態(tài)改變時，另一個狀態(tài)也會即刻發(fā)生相應改變。這種現象稱為“量子非定域性”，曾經被愛因斯坦等用來質疑量子力學理論的完備性，并引發(fā)了長期的爭論和持續(xù)至今的各種檢驗?？茖W家們在地面上已在相距100公里的距離成功地驗證了量子非定域性，但尚未做到嚴格無漏洞的終極檢驗。而量子衛(wèi)星將把這個實驗帶到外層空間，將在國際上首次得以實現千公里量級的量子非定域性實驗檢驗，對于人類加深對量子力學基礎理論的認識具有重要的意義。第三，“墨子號”將連接中國和奧地利之間的量子通信網，以證明全球規(guī)模的量子通信網絡設想是可行的。這也是我國在量子通信領域開展的第一個大型國際合作，潘建偉也表示，未來我國將與更多國家開展合作，共同推動量子通信領域的進步與發(fā)展。

潘建偉還介紹道，作為建設“天地一體化”通信網絡的重要組成部分，“墨子號”量子衛(wèi)星與普通衛(wèi)星相比存在著巨大的差異。發(fā)射升空的量子衛(wèi)星以及建設在地面的多個地面觀測站，共同組成了前所未有的覆蓋地面和空間的巨大實驗網絡。

圖1量子保密通信原理圖

“針尖對麥芒”的精準定位

“墨子號”量子通信衛(wèi)星作為天地一體化的空間中轉站，其承擔著發(fā)射和傳輸光信號的重要任務，如何保證距離地球表面數百公里的光信號能夠順利被地面光學天線接收，潘建偉形象化地解釋道，這其中涉及到的關鍵性實驗技術的難度就好比是“針尖對麥芒”一樣。

潘建偉介紹說，由于衛(wèi)星發(fā)射的光信號是極其微弱的單光子級別，在由空間向地面?zhèn)鬏數倪^程中會受到許多因素的干擾，比如星光、燈光等都將成為干擾信號傳輸的背景噪聲。此外，衛(wèi)星的運動速度很快，地面的光學天線必須時刻緊跟衛(wèi)星的“節(jié)奏”才有可能實現信號的準確接收。所以，在“墨子號”量子通信衛(wèi)星的設計過程中，不僅要克服各種噪聲的干擾保證信號源的穩(wěn)定，同時還要實現與地面光學天線的準確對接。盡管是如同“針尖對麥芒”般苛刻的實驗條件，但是在我國科學家的不懈努力下，如此困難的技術難題也依然得到了解決。

圖2量子通信衛(wèi)星概念圖

保密通信的“京滬干線”

被稱為“京滬干線”的地面量子通信網絡，是“天地一體化”量子通信網絡的地面組成部分。對于“京滬干線”的建設原理，潘建偉解釋道：在建設地面量子通信網絡的工程中，主要的應用都集中在城市范圍內，將城市之間的城域網連接起來實現城際量子通信非常關鍵。據介紹，目前的技術僅能夠達到點對點百公里量級的量子通信，所以就需要通過建立可信任的中繼站點來起到信息中轉的作用，連接相距數百公里兩個城市的量子通信網絡。已經建立起來的北京、濟南、合肥、上海四個量子通信城域網，將在可信中繼的幫助下，通過光纖串聯起來，構成量子通信的“京滬干線”。未來還將會在每個城市中建設光學天線接收衛(wèi)星的信號，這樣，隨著“墨子號”的順利升空，地面的“京滬干線”與空間的量子衛(wèi)星共同構成了覆蓋全球的廣域網絡，充分利用衛(wèi)星覆蓋的廣域性和光纖入戶的便利性，從而真正實現“天地一體化”的量子通信。

圖3廣域量子通信網絡示意圖

開啟量子通信新時代

隨著量子衛(wèi)星的發(fā)射升空和下半年“京滬干線”的完工，中國的廣域量子通信體系為率先建成全球化的量子通信衛(wèi)星網絡奠定了基礎，人類即將實現全球范圍內衛(wèi)星和地面間的首次量子通信。“天地一體化”的量子通信網絡即將鋪就，歷經30余年的量子信息研究也將步入深化應用的時代。未來，量子通信不僅僅只是一種全新的加密通信手段，它將成為新一代信息網絡安全解決方案的關鍵技術和日益普遍的電子服務的安全基石，成為保障未來信息社會可信行為的重要基礎之一。也許就在不遠的將來，量子通信技術將如同手機、電腦一般，走入尋常百姓家。