量子通信：挑战世界最高难度 架起天地一体万里通信网

量子通信：铺天盖地一体万里通信网

本报记者吴长锋

全球首个星地量子通信网络，覆盖中国四省三市32个节点，包括北京、济南、合肥、上海4个量子城域网，通过2个卫星地面站与“墨子号”量子科学实验卫星连接，总距离4600公里，目前金融、电力

周游宇宙的“墨子号”量子科学实验卫星，现在有了属于自己的“正式名称”。 2020年9月11日，国家重大文化工程《辞海》 (第七版)正式对外发布，此次新内容增加了“量子通信”“量子科学实验卫星”等词条。

2016年8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功发射世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”。 为了这一天，中国的量子物理学家们，已经准备了10多年。

将量子实验室“运送”到太空

“墨子号”量子科学实验卫星的诞生，源于我国“构建全球量子通信网”的科学愿景。

“将量子实验室‘运送’到宇宙的构想，从10多年前就被提出来了。 ”中国科学技术大学教授、中国科学院院士潘建伟说。

2003年，潘建伟团队开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信，提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案。 在自由空间中，环境对光量化状态的干扰效应极小，但是光量化在穿过大气层进入外层空间后损耗更接近零，从而自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更有利。

2005年，潘建伟团队首先在合肥实现了距离达13公里的自由空间量子纠缠分发和量子通信。 13公里几乎等于地球表面的大气厚度。 此次实验在国际上首次证明纠缠的光量子在穿透了相当于整个大气层厚度的地面大气后仍能维持纠缠，可应用于高效安全的量子通信。 该实验为后续自由空间量子通信实验奠定了基础。

迄今为止，走在世界量子通信领域前列的是奥地利物理学家安东扎林格的团队。 安东扎林格团队于1997年在室内首次完成了量子态隐形传输原理的实验验证，并于2004年利用多瑙河底光纤通道将量子态隐形传输距离提高到600米。 潘建伟在奥地利攻读博士期间，曾在安东蔡林格队担任研究骨干。

2001年，潘建伟回国，在中国科学技术大学设立了中国量子物理实验室。 随后，这对师徒既是合作伙伴又是竞争对手，正式启动了量子通信技术攀登高峰的竞赛。

与安东扎林格队相比，潘建伟队实现了进度更快、阶段性小幅领先的超越。

2010年，潘建伟团队成功实现了当时世界最远距离16公里的量子隐形传态，首次证实了量子隐形传态穿越大气层的可能性，为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定了可靠的基础。 为了这次实验，潘建伟团队从2007年开始在北京八达岭和河北怀来之间安装了长达16公里的自由空间量子通道。

随后，潘建伟团队在青海湖地区新建实验基地，开展验证星地自由空间量子通信可行性的基础实验研究，旨在多方面攻关，突破基于卫星平台的自由空间量子通信关键技术瓶颈，实现2012年全球首个百公里自由空间量子隐形传输

在这场量子学革命的科学竞赛中，许多“世界之首”“世界之首”都来自潘建伟率领的“中国代表队”。 国际上首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发，国际上首次实现全通型量子通信网络，建设世界上第一个规模化量子通信网络…… 这标志着中国在量子通信领域的崛起，从10年前一个不起眼的国家逐渐发展成为当今世界劲旅的国际权威期刊《自然》曾经这样感叹。

中国团队的这些研究证明了实现基于卫星的全球量子通信网络和开展空间尺度量子力学基础检测的可能性。

挑战世界最高难度

2010年3月31日，国务院第105次常务会议审议通过中科院“创新2020”规划，要求中科院“组织实施战略引领科技专项，形成重大创新突破和集群优势”。

2011年1月25日，中科院启动实施首批“41个”战略引领科技专项，其中包括空间科学引领专项。 航天科考专家首次确定研制包括“墨子号”在内的四颗科学实验卫星。 另外三颗是暗物质探测卫星“悟空”、我国第一颗微重力科学实验卫星“实践10号”、硬x射线调制望远镜卫星“慧眼”。

“工程师的任务是实现技术，把科学家的梦想变成现实。 ”量子卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇表示，2011年量子科学实验卫星“墨子号”项目正式成立后，难度更大的挑战开始了。

量子科学实验卫星是我国自主研制的星地量子通信设备，突破了包括“针尖对麦芒”星地光路定位、偏振态保持和星地矢量校正、量子光源负载等关键技术在内的一系列高清晰技术。

宇先生从2007年开始参加量子卫星的研究。 他是中科院上海分院副院长、原中科院上海技术物理研究所所长，作为光学遥感系统专家，他的团队与潘建伟团队合作，在广袤美丽的青海湖畔实现了百公里级自由空间量子通信。

在2007—2010年关键技术攻关阶段，研究小组将量子密钥产生的地点放在青海湖湖心岛的海心山，由中间向两侧分发。

那时，晚上队员们睡在帐篷里，但还不能睡。 他们不得不打死可能干扰设备的蛾子。 其中有一位女研究生，看到蛾子就害怕了，后来成了一边做实验，一边颜色不变，一只只地杀死蛾子的“杀手”。

“因为以前是做卫星的，所以能找到一些参考资料，但是这个量子卫星的工作是国际首创的，完全没有参考价值。 ”王建宇认为，最困难的环节是实现天地一体化连通。

按照潘建伟等科学家的试验设计要求，“墨子号”不仅包括天上的卫星，还包括地面系统。 1个中心——合肥量子科学实验中心，4个台站3354南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面台站，1个平台3354蚂蚁量子隐形遗传实验平台。 卫星与地面站之间，必须实现最高精度的瞄准和最灵敏的探测。

光量子非常小，是光的最小单位，必须由非常灵敏的探测器探测的数量非常多，“墨子号”卫星每秒可以分发1亿光量子； 另外，它的姿态千变万化，可以形成不同的量子码……

王建举例说，如果把光量子看成1元硬币，那么星球实验就相当于在1万米高空飞行的飞机上，将数以亿计的硬币一个接一个地投入地面，投入不断旋转的储钱罐。 (偏振测量的基轴发生了变化) )这不仅要求击中储蓄罐(瞄准精度)，而且要求硬币准确地进入罐子细长的投入口) )偏振保持)。

为了在通过大气层后光量子的“针尖”仍能对准接收站的“曼”，王建宇团队与潘建伟团队一起，从2012年开始进行了各种实验。 收发距离40公里的转台实验必须与卫星绕转的角速度一致。 在30公里距离的车载高速运动实验中，需要测试超远距离“目标移动”能力的气球平台实验、空地环境下的量子密钥配送模拟……

如此艰难的“针尖”面对“麦芒”，其关键技术终于被一个个打破，倾注了十几个研究所数百名科研人员的热情，卫星初始样品完成。

构建第一个行星量子通信网

32年前，人类历史上第一次量子通信在实验室实现，传输距离为32厘米。 现在，中国人把这个距离扩展到了1400万倍以上，实现了从地面到宇宙的多用户通信。

2021年1月7日，国际顶级学术杂志《自然》刊发表论文《跨越4600公里的天地一体化量子通信网络》。 中国科学技术大学宣布，中国科研团队实现了4600公里星星量子密钥分发，标志着我国已经构建了天地一体化广域量子通信网的雏形。

20年磨一剑，中国实现了在量子通信领域领跑：量子保密通信京沪干线全长超过2000公里，是目前世界上最远距离的基于可靠中继方案的量子安全密钥分发干线，该线路于2017年9月底正式开通。 “墨子号”量子科学实验卫星于2016年8月在酒泉卫星发射中心成功发射，圆满实现了所有预定科学目标。

在“墨子号”“京沪干线”上，中国科学技术大学科研人员潘建伟、陈宇飧、彭承志等与中科院上海技术物理研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院及中国有线电视网络有限公司合作，构建了全球首个星地量子通信网。 经过两年多的稳定性、安全性测试，该通信网实现了长达4600公里的多用户量子密钥分发。

“实现广域量子通信，必须解决光量子损耗、相干退避等一系列技术问题。 例如，光量子数在每次通过光纤传输时，约15公里变为一半，200公里后只剩下万分之一。 ”潘建伟说，科研团队在光学等方面发展了许多先进技术，解决了这些难题。

目前，广域量子通信网络雏形已经基本形成，未来可以在此基础上进一步推动量子通信在金融、政务、国防、电子信息等领域的广泛应用。

《自然》杂志的审阅者对此评价说，这是地球上最大、最先进的量子密钥分发网络，是量子通信的“巨大工程成果”。 星量子通信网的建成，为未来实现覆盖全球的“量子网”奠定了科技基础，也为相对论、引力波等科学研究提供了前所未有的“天地实验室”。

资料来源：科技日报

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