就在人們即將迎來(lái)“史上最長(zhǎng)”國(guó)慶中秋假期的時(shí)候，遨游在太空的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星完成了她的首次“太空求解”。9月20日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)布了中國(guó)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(xiàng)成果——利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星對(duì)一類預(yù)言引力場(chǎng)導(dǎo)致量子退相干的理論模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。這是國(guó)際上首次利用量子衛(wèi)星在地球引力場(chǎng)中對(duì)嘗試結(jié)合量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，將極大地推動(dòng)相關(guān)物理學(xué)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究。

圓滿實(shí)現(xiàn)三大科學(xué)目標(biāo)，還將超期工作年

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

“‘墨子號(hào)’量子衛(wèi)星圓滿實(shí)現(xiàn)預(yù)定的全部三大科學(xué)目標(biāo)，為我國(guó)在未來(lái)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(wèn)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

由于量子不可克隆原理，量子通信的信號(hào)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(hào)損耗非常小的特點(diǎn)，通過(guò)衛(wèi)星輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離。

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。“墨子號(hào)”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(gè)數(shù)量級(jí)(萬(wàn)億億倍)。

實(shí)現(xiàn)地星量子隱形傳態(tài)是“墨子號(hào)”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(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送粒子本身。“墨子號(hào)”量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式。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。

量子糾纏被愛(ài)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(yuǎn)的距離上是否仍然存在?會(huì)不會(huì)受到引力等其他因素的影響?作為衛(wèi)星的三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)之一，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星在國(guó)際上首次在空間尺度上開(kāi)展了量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。

2020年6月15日，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)，將以往地面無(wú)中繼量子保密通信的空間距離提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

據(jù)悉，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星預(yù)計(jì)將超出預(yù)期壽命、繼續(xù)工作至少2年以上，并展開(kāi)更多國(guó)際合作。

太空最耀眼的“科學(xué)之星”

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星取得的一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)成果，在獲得國(guó)際上盛大贊譽(yù)與好評(píng)的同時(shí)，也開(kāi)啟了全球化量子通信時(shí)代之門。

星地量子密鑰分發(fā)的實(shí)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(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)。

星地量子糾纏分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)的實(shí)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(shí)也為未來(lái)開(kāi)展大尺度量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信實(shí)驗(yàn)研究，以及開(kāi)展外太空廣義相對(duì)論、量子引力等物理學(xué)基本原理的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

而在“墨子號(hào)”三大預(yù)定科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)完成之后，2018年初，通過(guò)與奧地利科學(xué)院的國(guó)際合作，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星首次實(shí)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(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選為2018年度國(guó)際物理學(xué)十大進(jìn)展之一。

2018年，素有著諾貝爾獎(jiǎng)風(fēng)向標(biāo)之稱的“沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)”在獲獎(jiǎng)?wù)呓榻B中專門提到：“量子密鑰分發(fā)已經(jīng)成功實(shí)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(gè)紀(jì)錄正是潘建偉團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的，一個(gè)是光纖量子密鑰分發(fā)最遠(yuǎn)安全距離做到404公里，另一個(gè)就是“墨子號(hào)”做到的星地1200公里，這是中國(guó)科學(xué)家的貢獻(xiàn)，也是中國(guó)量子通信領(lǐng)先世界的標(biāo)志。

2019年1月31日，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)(AAAS)宣布，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星科研團(tuán)隊(duì)被授予2018年度克利夫蘭獎(jiǎng)。這是美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)設(shè)立克利夫蘭獎(jiǎng)九十余年來(lái)，中國(guó)科學(xué)家在本土完成的科研成果首次獲得這一重要榮譽(yù)。

迄今，“墨子號(hào)”研究團(tuán)隊(duì)已在《自然》及《科學(xué)》雜志發(fā)表了5篇研究論文，為我國(guó)在未來(lái)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(wèn)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)。

國(guó)際權(quán)威期刊《自然》雜志曾評(píng)價(jià)：“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星研究成果標(biāo)志著中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國(guó)家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美。(記者 吳長(zhǎng)鋒)

關(guān)鍵詞： 墨子號(hào)量子衛(wèi)星