墨子號：驗(yàn)證量子密鑰分發(fā)可行性，推動空間科學(xué)發(fā)展

墨子號的全稱是“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”，顧名思義，以科學(xué)實(shí)驗(yàn)為主要任務(wù)。在地面，我國量子通信的光纖城域網(wǎng)已經(jīng)趨于成熟，創(chuàng)造了量子密鑰分發(fā)安全距離達(dá)到404公里的世界記錄。為了將量子通信在更遠(yuǎn)的距離上應(yīng)用，有三種方式可以選擇，一種是利用量子中繼，一種是利用可信中繼，另一種就是利用自由空間信道，即量子衛(wèi)星。我國科學(xué)家已經(jīng)在量子中繼的核心——量子存儲器上獲得了世界上綜合性能最好的結(jié)果，但是量子中繼離實(shí)用化還有一段距離，它的難度堪比量子計(jì)算機(jī)?？尚胖欣^技術(shù)比較實(shí)用化，基于此已經(jīng)建成了京滬干線。最后一個選擇，利用量子衛(wèi)星來建立量子通信網(wǎng)絡(luò)，可以在全球范圍內(nèi)覆蓋各類海島、遠(yuǎn)洋船舶、駐外機(jī)構(gòu)等光纖難以或者無法到達(dá)的地方，保障我國在全球范圍的信息傳輸安全。

我國于2016年8月發(fā)射的“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在2017年星地量子密鑰分發(fā)的成碼率已達(dá)到10kbps量級，成功驗(yàn)證了星地量子密鑰分發(fā)的可行性。目前經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化，密鑰分發(fā)成碼率已能夠達(dá)到100kbps量級，具備了初步的實(shí)用價值。因此很多部門希望能夠?qū)⑿堑孛荑€分發(fā)應(yīng)用于其現(xiàn)有的加密體系中，進(jìn)一步提升信息傳輸?shù)陌踩?。同時，我國科學(xué)家也在針對“墨子號”存在的問題，深入的進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，有望在未來突破地影區(qū)的限制，實(shí)現(xiàn)全天時量子密鑰分發(fā)，進(jìn)一步提升量子密鑰分發(fā)的速率、降低設(shè)備成本、提高設(shè)備可靠性，為未來量子密鑰分發(fā)大規(guī)模應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

“墨子號”還有非常重要的基礎(chǔ)科學(xué)目標(biāo)，那就是開展量子物理基本問題檢驗(yàn)：通過千公里量級的量子糾纏分發(fā)，能夠首次在空間尺度檢驗(yàn)量子力學(xué)的非定域性，并利用量子糾纏在地面和衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)。2017年“墨子號”已經(jīng)圓滿完成了這兩個目標(biāo)。這兩項(xiàng)科學(xué)成果使得人類首次具有在空間尺度開展量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力，為未來在外太空開展廣義相對論、量子引力等物理學(xué)基本原理的檢驗(yàn)做好了必要的技術(shù)準(zhǔn)備，成為我國在基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域?qū)κ澜绲囊豁?xiàng)重要貢獻(xiàn)。

同時還有望進(jìn)一步推動空間科學(xué)的發(fā)展，如美國物理學(xué)家Paul Kwiat在“墨子號”發(fā)射之前所展望的，利用空間量子隱形傳態(tài)、遠(yuǎn)距離時頻傳遞等技術(shù)有望將分布在全球各個地方的望遠(yuǎn)鏡整合在一起進(jìn)行聯(lián)合測量，從而構(gòu)成一個有效口徑約地球大小的超級望遠(yuǎn)鏡，“這樣的望遠(yuǎn)鏡其理論分辨率將能夠看清木星衛(wèi)星上的車牌”（……“You could not just see planets，” says Kwiat， “but in principle read licence plates on Jupiter’s moons.”）