日前，中國科學技術大學潘建偉及其同事彭承志、陸朝陽、曹原應邀在國際物理學權威綜述期刊《現(xiàn)代物理評論》上發(fā)表長篇綜述論文《基於“墨子號”衛(wèi)星的空間量子實驗》。

據(jù)了解，由於在遠距離量子通信特別是“墨子號”量子衛(wèi)星方面所取得的一系列具有開創(chuàng)性意義的工作，潘建偉等受邀為《現(xiàn)代物理評論》撰寫的這篇46頁的綜述論文，全面介紹了國際空間量子科學研究近20年來取得的成就，重點闡述了“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星從前期關鍵技術攻關，包括衛(wèi)星系統(tǒng)、科學應用系統(tǒng)等六大系統(tǒng)的量子科學實驗衛(wèi)星的建設和研制，到衛(wèi)星在軌運行后所取得的系統(tǒng)性科研成果，為國際學術界提供了寶貴的資料。

《現(xiàn)代物理評論》是國際物理學界最權威的綜述性期刊，每年僅發(fā)表約40篇學術論文。該期刊一般不接受自由投稿，主要是邀請在各領域卓有建樹的物理學家執(zhí)筆，旨在對當今物理研究的重大熱點問題做歷史總結(jié)、原理闡述、現(xiàn)狀分析和趨向預測。此論文是潘建偉團隊繼2012年的《多光子糾纏和干涉度量學》以及2020年的《基於現(xiàn)實器件的安全量子密鑰分發(fā)》之后在該期刊上的第3篇綜述論文。

“墨子號”的橫空出世

量子通信基於量子物理學的基本原理，克服了經(jīng)典加密技術內(nèi)在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴格証明是無條件安全的通信方式，可以從根本上解決國防、金融、政務、商業(yè)等領域的信息安全問題。量子通信通常採用單光子作為物理載體，最為直接的傳輸方式是光纖或者近地面自由空間信道。但是，這兩種信道的損耗都會隨著距離的增加而指數(shù)式增加，近地大氣信道還會受到地球曲率的影響。

由於量子不可克隆原理，量子通信的信號不能像經(jīng)典通信那樣被放大，這使得之前量子通信的世界紀錄隻有百公裡量級。因此，如何實現(xiàn)安全、長距離、可實用化的量子通信是該領域的最大挑戰(zhàn)和國際學術界幾十年來奮斗的共同目標。

由於外太空幾乎真空，對於光信號的吸收損耗幾乎為零，因此通過衛(wèi)星的輔助可以極大擴展量子通信距離。本世紀初以來，該方向已成為國際學術界激烈角逐的焦點。潘建偉團隊為實現(xiàn)星地量子通信開展了一系列先驅(qū)性的實驗研究。2003年，該團隊提出了利用衛(wèi)星實現(xiàn)星地間量子通信、構(gòu)建覆蓋全球量子保密通信網(wǎng)的方案，隨后於2004年在國際上首次實現(xiàn)了水平距離13公裡（大於大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)，驗証了穿過大氣層進行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導科技專項“量子科學實驗衛(wèi)星”正式立項。2012年，潘建偉領銜的中科院聯(lián)合研究團隊在青海湖實現(xiàn)了首個百公裡的雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，充分驗証了利用衛(wèi)星實現(xiàn)量子通信的可行性。

2013年，中科院聯(lián)合研究團隊在青海湖實現(xiàn)了模擬星地相對運動和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發(fā)實驗，全方位驗証了衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)的可行性。隨后，該團隊經(jīng)過艱苦攻關，最終成功研制了“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星?！澳犹枴毙l(wèi)星於2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過4個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學實驗。

我國首次在空間科學研究領域走到世界最前列

近年來，潘建偉團隊利用“墨子號”量子衛(wèi)星在國際上率先完成了一系列具有開創(chuàng)意義的星地量子科學實驗。

這些實驗包括：完成了星地量子密鑰分發(fā)、北京到維也納的洲際量子密鑰分發(fā)、基於糾纏的無須可信中繼量子密鑰分發(fā)，並進一步在量子保密通信京滬干線與“墨子號”量子衛(wèi)星之間成功實現(xiàn)了對接，驗証了星地廣域量子通信的可行性﹔實現(xiàn)了星地雙向量子糾纏分發(fā)實驗，觀察到了星地間千公裡距離的嚴格滿足愛因斯坦定域性條件的貝爾不等式的破缺，驗証了空間尺度量子糾纏的存在和量子力學基本原理的正確性﹔完成了首個地星量子隱形傳態(tài)以及星地量子態(tài)遠程傳輸，証明了在地星千公裡距離上能夠完成量子比特的傳輸，為全球化量子信息處理網(wǎng)絡奠定了基礎﹔在完成了廣域量子通信和量子力學基本問題檢驗的既定科學目標后，還在空間量子科學實驗的其他方向展開了探索工作，利用上行量子信道，對一類預言引力場導致量子退相干的理論模型進行了實驗檢驗，邁出了探索量子力學與廣義相對論相融合的實驗檢驗的第一步﹔將量子通信技術與量子精密測量技術相結(jié)合，實現(xiàn)了星地安全時頻傳輸實驗，驗証了在空間尺度開展廣域光頻標研究的可行性。

研究人員認為，這些空間量子科學實驗成果使我國第一次在空間科學研究領域走到了世界最前列，牢牢佔據(jù)了空間量子科學研究領域的主導和引領地位。

“空間量子科學研究必跨越到更高平臺”

“墨子號”量子衛(wèi)星項目的成功實施，進一步激發(fā)了全球關於空間量子實驗的競賽。2017年，美國宇航局發(fā)布了關於未來空間量子物理發(fā)展方面的白皮書。同期歐洲航天局也發(fā)布了空間量子技術的白皮書。在“墨子號”成功發(fā)射之后，世界各大強國紛紛開始了自己的量子衛(wèi)星研發(fā)，推出了基於低軌道小型化量子衛(wèi)星的計劃和時間表。

2021年6月，美國、英國、日本、加拿大、意大利、比利時和奧地利7國更是在G7峰會上達成合作，首次計劃聯(lián)合開發(fā)一個基於衛(wèi)星的量子加密網(wǎng)絡——“聯(lián)邦量子系統(tǒng)”，利用量子技術的突破來防范日益復雜的網(wǎng)絡攻擊等。

潘建偉團隊的該綜述論文還對國際空間量子科學的研究進展進行了梳理。文章指出，“墨子號”的成功激勵了國際空間量子科學的研究熱潮，美國、歐盟、日本等國際上的各方力量隨后皆開始探索自己的廣域量子通信之路，提出或加速了一系列空間量子科學布局。論文還對進一步構(gòu)建覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡和基於空間平臺的量子物理基礎研究進行了前瞻性的展望，表明“墨子號”系列實驗開啟了利用空間平臺開展量子信息和量子物理前沿研究的廣闊天地。

該綜述論文的最后對未來空間量子科學的主要發(fā)展方向進行了展望，提出“空間量子科學研究必將從低軌道平臺跨越到中高軌平臺，甚至是深空平臺”。在此基礎上，利用中高軌衛(wèi)星平臺覆蓋范圍廣、實驗時間長、微重力環(huán)境好等優(yōu)勢，將空間量子通信技術同時交叉應用於遠距離高精度時頻傳遞和空間超冷原子物理等領域，在量子精密測量、量子物理與廣義相對論融合等基礎科學問題方面獲得更豐富的科學產(chǎn)出。（記者 常河）

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