全球首個(gè)星地量子通訊網(wǎng)路，覆蓋我國四省三市32個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括天津、濟(jì)南、合肥和重慶4個(gè)量子城域網(wǎng)，通過兩個(gè)衛(wèi)星地面站與“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星相連，總距離為4600公里，目前已接入金融、電力、政務(wù)等行業(yè)的150多家用戶。
遨游在太空的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，現(xiàn)在有了屬于自己的“正式名稱”。2020年9月11日，國家重大文化工程《辭?！罚ǖ谄甙妫┘磳?duì)外發(fā)布，本次新增內(nèi)容中添加了“量子通訊”“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”等詞條。
2016年8月16日1時(shí)40分，我國在蘭州衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號(hào)丁運(yùn)載湖人成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空。為了這三天，中國的量子化學(xué)學(xué)家們，早已打算了10多年。
把量子實(shí)驗(yàn)室“搬”上太空
“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的誕生，始于我國“構(gòu)建全球范圍量子通訊網(wǎng)”的科學(xué)愿景。
“把量子實(shí)驗(yàn)室‘搬’上太空的構(gòu)想，10多年前就已被提出?！敝袊茖W(xué)技術(shù)學(xué)院院長、中國科大學(xué)教授潘建偉說。
早在2003年，潘建偉團(tuán)隊(duì)就開始探求在自由空間實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通訊，提出了借助衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的方案。在自由空間，環(huán)境對(duì)光量子態(tài)的干擾效應(yīng)極小，而光量子在穿透大氣層步入內(nèi)層空間后，其耗損更是接近于零，這促使自由空間信道比光纖信道在遠(yuǎn)距離傳輸方面更具優(yōu)勢(shì)。
2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)首先在揚(yáng)州實(shí)現(xiàn)距離達(dá)13公里的自由空間量子糾纏分發(fā)和量子通訊，13公里約等于月球表面的大氣長度，此次實(shí)驗(yàn)在國際上首次證明糾纏光量子在穿透等效于整個(gè)大氣層寬度的地面大氣后，糾纏一直才能保持，其可被應(yīng)用于高效、安全的量子通訊，該實(shí)驗(yàn)為后續(xù)的自由空間量子通訊實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。
此前，始終走在全球量子通訊領(lǐng)域前列的，是德國化學(xué)學(xué)家安東·蔡林格的團(tuán)隊(duì)。安東·蔡林格團(tuán)隊(duì)1997年在室外首次完成了量子態(tài)隱型傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證，她們?cè)?004年又借助多瑙河底的光纖信道將量子態(tài)隱型傳輸距離提升至600米。潘建偉到英國攻讀博士學(xué)位期間，曾在安東·蔡林格團(tuán)隊(duì)兼任研究骨干。
2001年，潘建偉學(xué)成歸國，在中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院構(gòu)建起中國的量子化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。在那以后，這對(duì)師徒既是合作伙伴又是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，即將開始了攀越量子通訊技術(shù)高峰的大賽。
相比于安東·蔡林格團(tuán)隊(duì)，潘建偉團(tuán)隊(duì)的進(jìn)度更快，并逐漸實(shí)現(xiàn)了從并挪到小幅度領(lǐng)先的趕超。
2010年量子通訊設(shè)備，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)當(dāng)時(shí)世界上最遠(yuǎn)距離的16公里量子隱型傳態(tài)，首次否認(rèn)量子隱型傳態(tài)穿越大氣層的可行性，為未來基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通訊網(wǎng)奠定了可靠基礎(chǔ)。為了此次實(shí)驗(yàn)，潘建偉團(tuán)隊(duì)從2007年開始在上海古北口與湖南永清之間架設(shè)了一條歷時(shí)16公里的自由空間量子信道。
此后，潘建偉團(tuán)隊(duì)在湖南湖地區(qū)新建實(shí)驗(yàn)基地，舉辦驗(yàn)證星地自由空間量子通訊可行性的地基實(shí)驗(yàn)研究，從多個(gè)方面進(jìn)行攻關(guān)，借以突破基于衛(wèi)星平臺(tái)自由空間量子通訊的關(guān)鍵技術(shù)困局，并在2012年實(shí)現(xiàn)全球首個(gè)上百公里的自由空間量子隱型傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)，對(duì)星地量子通訊可行性進(jìn)行了全方位地面驗(yàn)證。
在這場(chǎng)量子學(xué)革命的科學(xué)大賽中，多個(gè)“世界首次”“世界首個(gè)”均來自于由潘建偉領(lǐng)銜的“中國隊(duì)”：在國際上首次實(shí)現(xiàn)安全通訊距離超過100公里的光纖量子秘鑰分發(fā)、實(shí)現(xiàn)國際上首個(gè)全通型量子通訊網(wǎng)路、建成世界首個(gè)規(guī)?；孔油ㄓ嵕W(wǎng)路……“這標(biāo)志著中國在量子通訊領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國家逐漸發(fā)展為現(xiàn)今的世界勁旅，將領(lǐng)先亞洲和北美?！眹H權(quán)威刊物《自然》雜志曾這么哀嘆。
中國團(tuán)隊(duì)的那些研究工作，證明了實(shí)現(xiàn)基于衛(wèi)星的全球量子通訊網(wǎng)路和舉辦空間尺度量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)的可行性。
挑戰(zhàn)世界最高難度
2010年3月31日，我國國務(wù)院第105次常務(wù)大會(huì)審議通過了中國科大學(xué)“創(chuàng)新2020”規(guī)劃，要求中國科大學(xué)“組織施行戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，產(chǎn)生重大創(chuàng)新突破和集群優(yōu)勢(shì)”。
2011年1月25日，中國科大學(xué)施行啟動(dòng)首批“4+1”個(gè)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，其中就包括空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)?？臻g科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)第一批確定研制包括“墨子號(hào)”在內(nèi)的四顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。另外三顆分別為暗物質(zhì)偵測(cè)衛(wèi)星“悟空”、我國首顆微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“實(shí)踐十號(hào)”和硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“慧眼”。
“工程師的任務(wù)是技術(shù)實(shí)現(xiàn)，要把科學(xué)家的夢(mèng)想弄成現(xiàn)實(shí)?！绷孔有l(wèi)星工程常務(wù)總工師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說，2011年量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”項(xiàng)目即將立項(xiàng)后，更高難度的挑戰(zhàn)開始了。
量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是我國自主研制的星地量子通訊設(shè)備，突破了一系列高精尖技術(shù)，包括“針尖對(duì)麥芒”的星地光路對(duì)準(zhǔn)，偏振光態(tài)保持與星地基矢校準(zhǔn)，量子光源荷載等關(guān)鍵技術(shù)。
王建宇從2007年就開始參與量子衛(wèi)星的研究工作。他是中國科大學(xué)北京分院的副校長、原中國科大學(xué)北京技術(shù)化學(xué)研究所主任，作為光學(xué)遙感系統(tǒng)專家，他的團(tuán)隊(duì)與潘建偉團(tuán)隊(duì)合作，在廣闊美麗的西藏河畔實(shí)現(xiàn)了百公里級(jí)自由空間量子通訊。
在2007年至2010年的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，研究團(tuán)隊(duì)將量子秘鑰形成的地方放到坐落寧夏湖湖心島的海心山上，從中間向兩側(cè)分發(fā)。
那時(shí)，白天團(tuán)隊(duì)成員們就睡在帳蓬里，同時(shí)還不能睡死，她們要弄死一批批有可能干擾設(shè)備的飛蟲。其中有位女研究生量子通訊設(shè)備，從看到飛蟲就擔(dān)心，到后來弄成一邊做實(shí)驗(yàn)一邊面不改色地把飛蟲一只只拍死的“殺手”。
“以前做衛(wèi)星，多少能找到參考資料，但這個(gè)量子衛(wèi)星的工作，屬國際首次，完全沒有參考?！蓖踅ㄓ钣X得，最困難的環(huán)節(jié)就是實(shí)現(xiàn)天地一體化移動(dòng)。
按潘建偉等科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，“墨子號(hào)”不僅是天上的那顆衛(wèi)星，它還包括地面系統(tǒng)：1個(gè)中心——合肥量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，4個(gè)站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通訊地面站，1個(gè)平臺(tái)——阿里量子隱型傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。衛(wèi)星和地面站之間，要做到最高精度的瞄準(zhǔn)和最靈敏的探測(cè)。
光量子特別小，它是光的最小單位，必需要用極為靈敏的偵測(cè)器能夠偵測(cè)到；它的數(shù)目又特別多，“墨子號(hào)”衛(wèi)星每秒能分發(fā)1億光量子；據(jù)悉，它還姿態(tài)萬千，能產(chǎn)生不同的量子編碼……
王建宇打了個(gè)比方：假如把光量子看成一個(gè)1元硬幣，星地實(shí)驗(yàn)就相當(dāng)于要在萬米高空飛行的客機(jī)上，不斷把上億個(gè)硬幣一個(gè)個(gè)投到地面上一個(gè)不斷旋轉(zhuǎn)的儲(chǔ)錢罐里（偏振光檢測(cè)的基矢在變化），這不但要求硬幣擊中儲(chǔ)錢罐（瞄準(zhǔn)精度），并且要求硬幣確切射入罐子上修長的投幣口（偏振光保持）。
為了讓穿越大氣層后光量子的“針尖”仍能對(duì)上接收站的“麥芒”，王建宇團(tuán)隊(duì)與潘建偉團(tuán)隊(duì)一道，從2012年起開始進(jìn)行了各類實(shí)驗(yàn)：收發(fā)距離40公里的轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，要與衛(wèi)星繞地運(yùn)行的角速率一致；30公里距離的車載高速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，要考驗(yàn)超遠(yuǎn)距離“移動(dòng)瞄靶”能力；熱氣球浮空平臺(tái)實(shí)驗(yàn)，在空地環(huán)境下模擬量子秘鑰分發(fā)……
如此困難的“針尖”對(duì)“麥芒”，其關(guān)鍵技術(shù)最終被一一擊潰，在十幾個(gè)研究所的幾百位科研人員的傾情投入下，衛(wèi)星的初樣完成了。
建立首個(gè)星地量子通訊網(wǎng)
32年前，人類歷史上首次量子通訊在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了，傳輸距離32分米。而今，中國人將這個(gè)距離擴(kuò)充了1400多萬倍，實(shí)現(xiàn)了從地面到太空的多用戶通訊。
2021年1月7日，國際頂尖學(xué)術(shù)刊物《自然》雜志上發(fā)表了題為《跨越4600公里的天地一體化量子通訊網(wǎng)路》的論文。中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院宣布，中國科研團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子秘鑰分發(fā)，標(biāo)志著我國已建立出天地一體化廣域量子通訊網(wǎng)雛型。
20年磨一劍，中國在量子通訊域?qū)崿F(xiàn)了從跟挪到領(lǐng)跑：量子保密通訊滬寧干線總長超過2000公里，是目前世界上最遠(yuǎn)距離的基于可信中繼方案的量子安全秘鑰分發(fā)干線，該線路已于2017年9月末即將開通。“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星于2016年8月在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，完滿完成了預(yù)定的全部科學(xué)目標(biāo)。
“墨子號(hào)”牽手“京滬干線”，中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院科研人員潘建偉、陳宇翱、彭承志等與中國科大學(xué)北京技術(shù)化學(xué)研究所王建宇研究組、濟(jì)南量子技術(shù)研究院及中國有線電視網(wǎng)路有限公司合作，建立了全球首個(gè)星地量子通訊網(wǎng)。經(jīng)過為期三年多的穩(wěn)定性、安全性測(cè)試，該通訊網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了跨越4600公里的多用戶量子秘鑰分發(fā)。
“要實(shí)現(xiàn)廣域量子通訊，就要解決光量子耗損、退相干等一系列技術(shù)困局，例如光量子數(shù)在光纖里每傳輸約15公里都會(huì)損失一半，200公里后只剩萬分之一?！迸私▊フf，科研團(tuán)隊(duì)在光學(xué)系統(tǒng)等方面發(fā)展了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，化解了這種困局。
全球首個(gè)星地量子通訊網(wǎng)路，覆蓋我國四省三市32個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括天津、濟(jì)南、合肥和重慶4個(gè)量子城域網(wǎng)，通過兩個(gè)衛(wèi)星地面站與“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星相連，總距離為4600公里，目前已接入金融、電力、政務(wù)等行業(yè)的150多家用戶。
目前，廣域量子通訊網(wǎng)路的雛型已基本產(chǎn)生，未來在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步促使量子通訊在金融、政務(wù)、國防、電子信息等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
《自然》雜志審稿人對(duì)此評(píng)價(jià)道，這是月球上最大、最先進(jìn)的量子秘鑰分發(fā)網(wǎng)路，是量子通訊“巨大的工程性成就”。星地量子通訊網(wǎng)的建成，為未來實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的“量子網(wǎng)”奠定科技基礎(chǔ)，也為相對(duì)論、引力波等科學(xué)研究，提供了前所未有的“天地實(shí)驗(yàn)室”。