世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空
2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。此次發(fā)射任務(wù)的圓滿成功，標(biāo)志著我國空間科學(xué)研究又邁出重要一步。
中國量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士介紹，如果說地面量子通信構(gòu)建了一張連接每個城市、每個信息傳輸點的“網(wǎng)”，那么量子科學(xué)實驗衛(wèi)星就像一桿將這張網(wǎng)射向太空的“標(biāo)槍”。當(dāng)這張縱橫寰宇的量子通信“天地網(wǎng)”織就，海量信息將在其中來去如影，并且“無條件”安全。
全球首顆量子衛(wèi)星被正式命名為“墨子號”
8月15日報道，我國即將發(fā)射的全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星被正式命名為“墨子號”。量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士說，墨子最早提出光線沿直線傳播，設(shè)計了小孔成像實驗，奠定了光通信、量子通信的基礎(chǔ)。以中國古代偉大科學(xué)家的名字命名量子衛(wèi)星，將提升我們的文化自信。
墨子號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星研發(fā)背景
量子保密通信技術(shù)已經(jīng)從實驗室演示走向產(chǎn)業(yè)化。在城市里，通過光纖建構(gòu)的城域量子網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)開始嘗試實際應(yīng)用，我國在城域光纖量子通信方面已取得了國際領(lǐng)先的地位。
在量子通信的國際賽跑中，中國屬于后來者。經(jīng)過多年的努力，中國已經(jīng)躋身于國際一流的量子信息研究行列，在城域量子通信技術(shù)方面也走在了世界前列，建設(shè)完成合肥、濟南等規(guī)?；孔油ㄐ懦怯蚓W(wǎng)，“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)也即將竣工。
然而，這只是開始?！霸诔鞘蟹秶鷥?nèi)，通過光纖構(gòu)建城域量子通信網(wǎng)絡(luò)是最佳方案。但要實現(xiàn)遠距離甚至全球量子通信，僅依靠光纖量子通信技術(shù)是遠遠不夠的?！?/strong>
量子保密通信，能夠從三個方面保障信息安全。第一，發(fā)送者和接收者之間的信息交互是安全的，不會被竊聽或盜取。第二，“主仆”身份能夠自動確認，只有主人才能夠使喚“仆人”，而其他人無法指揮“仆人”。第三，一旦發(fā)送者和接收者之間的傳遞口令被惡意篡改，使用者會立刻知曉，從而重新發(fā)送和接收指令。
原來，用量子通信方式傳遞信息，傳送的是光的最小能量單元。但這種最小的顆粒，不能再被分割，也不能復(fù)制。即使采用目前最先進的理想單光子探測器，在1000公里光纖中進行點對點量子通信，每300年也只能傳輸一個比特?！熬秃帽纫恢碛?00萬人的隊伍，到最后可能只剩下幾個人，花了很長時間才能抵達目的地。”這種受制于光纖，不能放大量子通信信號的問題，導(dǎo)致了在遠距離上信息傳遞效率很低，令科學(xué)家們一籌莫展。雖然通過量子中繼手段，即分成若干段傳輸來降低每一段的損耗，用“量子接力”的方式解決這一難題，但走向?qū)嶋H應(yīng)用還需時日。
后來，科學(xué)家意識到，真空里不會有光的損耗，想要實現(xiàn)覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)。
2005年，潘建偉團隊實現(xiàn)了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實驗，證明光子穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持，從而驗證了星地量子通信的可行性。近幾年開展的一系列后續(xù)實驗都為發(fā)射量子衛(wèi)星奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
“這樣一來，通過發(fā)射衛(wèi)星，去除干擾因素，就可以實現(xiàn)幾千公里的量子通信?！迸私▊フf，有了量子衛(wèi)星，還可以在宏觀距離上檢驗所謂的量子力學(xué)的非局域性，也就是“幽靈般的超距作用”?！翱纯丛趯嶒炇依锊粩啾恢貜?fù)檢驗的理論，放在太空是否還能實現(xiàn)?！?/strong>
墨子號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星研制歷史
量子衛(wèi)星2011年12月立項，是中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項首批科學(xué)實驗衛(wèi)星之一。工程還建設(shè)了包括南山、德令哈、興隆、麗江4個量子通信地面站和阿里量子隱形傳態(tài)實驗站在內(nèi)的地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，與量子衛(wèi)星共同構(gòu)成天地一體化量子科學(xué)實驗系統(tǒng)。
量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士介紹，我國自主研發(fā)的量子衛(wèi)星突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，包括高精度跟瞄、星地偏振態(tài)保持與基矢校正、星載量子糾纏源等。
2016年8月16日凌晨，被命名為“墨子號”的中國首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星開啟星際之旅。它承載著率先探索星地量子通信可能性的使命，并將首次在空間尺度驗證量子理論的真實性。
量子通信系統(tǒng)的問世，點燃了建造“絕對安全”通信系統(tǒng)的希望。當(dāng)前，量子通信的實用化和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)成為各個大國爭相追逐的目標(biāo)。
在量子通信的國際賽跑中，中國屬于后來者。經(jīng)過多年的努力，中國已經(jīng)躋身于國際一流的量子信息研究行列，在城域量子通信技術(shù)方面也走在了世界前列，建設(shè)完成合肥、濟南等規(guī)?；孔油ㄐ懦怯蚓W(wǎng)，“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)也即將竣工。
然而，這只是開始?！霸诔鞘蟹秶鷥?nèi)，通過光纖構(gòu)建城域量子通信網(wǎng)絡(luò)是最佳方案。但要實現(xiàn)遠距離甚至全球量子通信，僅依靠光纖量子通信技術(shù)是遠遠不夠的?！?/strong>因為量子的信息攜帶者光子在光纖里傳播一百公里之后大約只有1‰的信號可以到達最后的接收站，所以光纖量子通信達到百公里量級就很難再突破。但光子穿透整個大氣層后卻可以保留80%左右，再利用衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)，就可以實現(xiàn)地面上相距數(shù)千公里甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信。
另外，誕生百年的量子理論的奇妙之處在實驗室里被不斷重復(fù)檢驗，但卻從未在太空尺度驗證過。量子理論的各種奇異現(xiàn)象在太空中是否還存在？量子糾纏和隱形傳輸是否可以延伸到星地之間？這些都需要衛(wèi)星去驗證。
2011年，中科院正式啟動全球首顆“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”的研制，這既意味著中國科學(xué)家率先向星地量子通信發(fā)起挑戰(zhàn)，更意味著中國或?qū)㈩I(lǐng)先歐美獲得量子通信覆蓋全球的能力。
墨子號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星發(fā)射時間
2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。
量子衛(wèi)星發(fā)射入軌后將進行3個月左右的在軌測試，然后轉(zhuǎn)入在軌運行階段。
墨子號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星科學(xué)目標(biāo)
量子衛(wèi)星是中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項首批科學(xué)實驗衛(wèi)星之一，其主要科學(xué)目標(biāo)一是借助衛(wèi)星平臺，進行星地高速量子密鑰分發(fā)實驗，并在此基礎(chǔ)上進行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；二是在空間尺度進行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗的實驗研究。
墨子號在未來兩年將在世界上首次開展四項實驗任務(wù)以達成兩大科學(xué)目標(biāo)：進行經(jīng)由衛(wèi)星中繼的“星地高速量子密鑰分發(fā)實驗”，并在此基礎(chǔ)上進行“廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實驗”，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；及進行“星地雙向糾纏分發(fā)實驗”與“空間尺度量子隱形傳態(tài)實驗”，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗的實驗研究。除了衛(wèi)星之外，地面上也建設(shè)了四個量子通信地面站（分別位于河北興隆、新疆烏魯木齊、青海德令哈、云南麗江）以及位于西藏阿里的量子隱形傳態(tài)實驗站。除此以外，奧地利科學(xué)院和維也納大學(xué)的科學(xué)家也與中國方面合作，在維也納和格拉茨設(shè)置了地面站。
墨子號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星重要意義
“墨子號”的成功發(fā)射，將使我國在世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實驗體系。
量子衛(wèi)星的成功發(fā)射和在軌運行，將有助于我國在量子通信技術(shù)實用化整體水平上保持和擴大國際領(lǐng)先地位，實現(xiàn)國家信息安全和信息技術(shù)水平跨越式提升，有望推動我國科學(xué)家在量子科學(xué)前沿領(lǐng)域取得重大突破，對于推動我國空間科學(xué)衛(wèi)星系列可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。
美國波士頓大學(xué)的量子物理學(xué)家亞歷山大·謝爾吉延科說：“這個事確實很讓人激動，因為它是首次開展此類試驗，因此對全球都有重要意義。量子通信的競賽自1995年歐洲科研人員在日內(nèi)瓦湖底進行量子密鑰分發(fā)的最初演示時就開始了。在那以后，英國、美國、日本和中國等國家都在探索城市間的量子通信網(wǎng)絡(luò)，而現(xiàn)在這場競賽從地面進入了太空，因為衛(wèi)星能連接相距遙遠的不同都市。中國在發(fā)射量子衛(wèi)星方面走在了前面?！?/strong>
英國劍橋大學(xué)量子物理學(xué)教授阿德里安·肯特說：“我對中國發(fā)射量子衛(wèi)星這事感到很興奮?！彼J為，這是為使用量子技術(shù)構(gòu)建全球性安全通信網(wǎng)絡(luò)邁出的“第一步”
墨子號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星未來應(yīng)用
量子衛(wèi)星發(fā)射后，天地一體化量子科學(xué)實驗系統(tǒng)將投入正式運行，而“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程預(yù)計2016年下半年交付。
得益于量子保密通信絕對安全性，量子通信不僅應(yīng)用于百姓日常通信，也可用于水、電、煤氣等能源供給和民生網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的通信保障，還可應(yīng)用于國防、金融、商業(yè)等領(lǐng)域，勢必對產(chǎn)業(yè)界和科技界產(chǎn)生巨大變革。
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