“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星圓滿實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的全部科學(xué)目標(biāo) —— 文章正文2018-02-05

　“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)，至此圓滿實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的全部三大科學(xué)目標(biāo)，為我國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗(yàn)前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。
　　中國科大潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)、南京天文儀器有限公司、國家空間科學(xué)中心等，在中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。兩項(xiàng)成果于8月10日同時(shí)在線發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。這是繼先前在國際上率先實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)的研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志之后，我國科學(xué)家利用“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的空間量子物理研究另外兩項(xiàng)重大突破。至此，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星提前并圓滿實(shí)現(xiàn)全部三大既定科學(xué)目標(biāo)。
　　星地高速量子密鑰分發(fā)是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一。量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號(hào)，地面接收的方式，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星過境時(shí)，與河北興隆地面光學(xué)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信道高20個(gè)數(shù)量級(jí)(萬億億倍)。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬個(gè)信號(hào)光子，一次過軌對(duì)接實(shí)驗(yàn)可生成300 kbit的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)1.1 kbps。這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)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(wǎng)互聯(lián)，可以構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò)。
　　為此，《自然》雜志的審稿人稱贊星地量子密鑰分發(fā)成果是“令人欽佩的成就”和“本領(lǐng)域的一個(gè)里程碑”，并斷言“毫無疑問將引起量子信息、空間科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家和普通大眾的高度興趣，并導(dǎo)致公眾媒體極為廣泛的報(bào)道”。
　　地星量子隱形傳態(tài)是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一。量子隱形傳態(tài)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式， “墨子號(hào)”量子衛(wèi)星過境時(shí)，與海拔5100m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產(chǎn)生8000個(gè)量子隱形傳態(tài)事例，地面向衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，實(shí)驗(yàn)通信距離從500公里到1400公里，所有6個(gè)待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。假設(shè)在同樣長度的光纖中重復(fù)這一工作，需要3800億年(宇宙年齡的20倍)才能觀測到1個(gè)事例。這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究，以及空間量子物理學(xué)和量子引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。
　　《自然》雜志審稿人稱贊“這些結(jié)果代表了遠(yuǎn)距離量子通信持續(xù)探索中的重大突破”, “這個(gè)目標(biāo)非常新穎并極具挑戰(zhàn)性，它代表了量子通信方案現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)中的重大進(jìn)步”。
　　“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星全部三大既定科學(xué)目標(biāo)的成功實(shí)現(xiàn)，為我國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗(yàn)前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。 (中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院 科研部)