“墨子號”量子衛(wèi)星：太空最耀眼的“科學(xué)之星”

9月20日，國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)布了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事彭承志、范靖云等與合作者完成的一項成果——利用“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星對一類預(yù)言引力場導(dǎo)致量子退相干的理論模型進行了實驗檢驗。這是國際上首次利用量子衛(wèi)星在地球引力場中對嘗試結(jié)合量子力學(xué)與廣義相對論的理論進行實驗檢驗，將極大地推動相關(guān)物理學(xué)基礎(chǔ)理論和實驗研究。

圓滿實現(xiàn)三大科學(xué)目標(biāo)，還將超期工作年

“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，2017年1月18日正式開展科學(xué)實驗。

“‘墨子號’量子衛(wèi)星圓滿實現(xiàn)預(yù)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前沿研究奠定了堅實的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授告訴科技日報記者。

由于量子不可克隆原理，量子通信的信號不能像經(jīng)典通信那樣被放大，又由于光纖信道的固有衰減，量子通信的距離受到很大限制。利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點，通過衛(wèi)星輔助可以大大擴展量子通信距離。

星地高速量子密鑰分發(fā)是“墨子號”量子衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一。“墨子號”量子衛(wèi)星與河北興隆地面光學(xué)站建立了光鏈路，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個數(shù)量級（萬億億倍）。

實現(xiàn)地星量子隱形傳態(tài)是“墨子號”量子衛(wèi)星的又一科學(xué)目標(biāo)。量子隱形傳態(tài)可利用量子糾纏將粒子的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠地點，而不用傳送粒子本身?！澳犹枴绷孔与[形傳態(tài)實驗采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式。實驗通信距離從500公里到1400公里，所有6個待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。

量子糾纏被愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”，也是量子力學(xué)最神奇的現(xiàn)象之一。這種“鬼魅般的超距作用”在更遠的距離上是否仍然存在？會不會受到引力等其他因素的影響？作為衛(wèi)星的三大科學(xué)實驗任務(wù)之一，“墨子號”量子衛(wèi)星在國際上首次在空間尺度上開展了量子糾纏分發(fā)實驗。

2020年6月15日，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星在國際上首次實現(xiàn)千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)，將以往地面無中繼量子保密通信的空間距離提高了一個數(shù)量級。

據(jù)悉，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星預(yù)計將超出預(yù)期壽命、繼續(xù)工作2年以上，并展開更多國際合作。

太空最耀眼的“科學(xué)之星”

“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星取得的一系列科學(xué)實驗成果，在獲得國際上盛大贊譽與好評的同時，也開啟了全球化量子通信時代之門。

星地量子密鑰分發(fā)的實現(xiàn)，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)。以此為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可實現(xiàn)地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴展到覆蓋全球。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)。

星地量子糾纏分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)的實現(xiàn)，使人們可以利用量子糾纏所建立起的量子信道，構(gòu)建起量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元，同時也為未來開展大尺度量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信實驗研究，以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學(xué)基本原理的實驗檢驗奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

而在“墨子號”三大預(yù)定科學(xué)實驗任務(wù)完成之后，2018年初，通過與奧地利科學(xué)院的國際合作，“墨子號”量子衛(wèi)星首次實現(xiàn)了北京和維也納之間相距約7600公里的洲際量子保密通信。這一成果也被美國物理學(xué)會評選為2018年度國際物理學(xué)十大進展之一。

2018年，素有著諾貝爾獎風(fēng)向標(biāo)之稱的“沃爾夫物理學(xué)獎”在獲獎?wù)呓榻B中專門提到：“量子密鑰分發(fā)已經(jīng)成功實現(xiàn)商業(yè)化，在光纖中已經(jīng)能做到幾百公里，用衛(wèi)星可以做到上千公里”。而這兩個紀錄正是潘建偉團隊創(chuàng)造的，一個是光纖量子密鑰分發(fā)最遠安全距離做到404公里，另一個就是“墨子號”做到的星地1200公里，這是中國科學(xué)家的貢獻，也是中國量子通信領(lǐng)先世界的標(biāo)志。

2019年1月31日，美國科學(xué)促進會（AAAS）宣布，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星科研團隊被授予2018年度克利夫蘭獎。這是美國科學(xué)促進會設(shè)立克利夫蘭獎九十余年來，中國科學(xué)家在本土完成的科研成果首次獲得這一重要榮譽。

迄今，“墨子號”研究團隊已在《自然》及《科學(xué)》雜志發(fā)表了5篇研究論文，國際權(quán)威期刊《自然》雜志曾評價：“墨子號”量子衛(wèi)星研究成果標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美。

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