中国科学家实现国际首个量子卫星“千公里级”双向通信

电子发烧友早八点讯：距离全球第一颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空，还有6天就要满一整年了，8月10日，这颗卫星的首席科学家、中国科学技术大学潘建伟院士领导的中科院联合研究团队向外界又抛出了一项重大成果——“墨子号”在国际上第一次成功实现了“千公里级”的星地双向量子通信。

《自然》(Nature)杂志的物理科学主编卡尔?齐姆勒斯感慨“这是十分令人激动的消息(very exciting stuff)”，并给出评价：“以前人们会说量子技术的极限在天边，但这说法其实有些保守了”，潘建伟团队这些实验中，量子技术就已经突破“天空的限制(gone beyond the sky)”，并将应用型量子通信技术方面的研究提升到如此的“天文高度(astronomical height)”。

一个多月前，潘建伟团队在国际上率先实现“千公里级”的星地双向量子纠缠分发，并将成果发表在6月16日《科学》杂志上，这完成了“墨子号”一项科学任务即“星地双向量子纠缠分发”;如今则将另外两项任务一并完成：高速星地量子密钥分发和地星量子隐形传态，相关成果已在线发表在8月10日的《自然》杂志上。

至此，属于中国的“墨子号”量子卫星，已提前完成预先设定的三大科学目标。在8月4日的媒体见面会上，中国科学院院长白春礼院士对包括中国青年报?中青在线等媒体表示，“(‘墨子号’量子卫星)系列成果赢得了巨大国际声誉，标志着我国在量子通信领域的研究在国际上达到‘全面领先’的优势地位。”

(1)星地量子密钥实验：比传统技术传输效率提升万亿亿倍

与经典通信不同，量子密钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户，可共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密——这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。

这其中一个重要的研究内容，就是量子密钥分发。

所谓密钥分发实验，要以量子力学一些“原理”的成立为提前。比如，“量子不可克隆定理、量子不可分割”，使得“存在窃听必然被发现”，而量子的“一次一密，完全随机”，又让“加密内容不可破译”成为现实。

卡尔?齐姆勒斯也提到，量子密钥是保障通信极高保密性的关键。他说，“在没有密钥的情况下，是无法读到这些通信的，如果有他人窃听了你的密钥，量子力学的原理保证了你一定会知道，从而你通信的安全性又上了一层楼。”

如今，这种量子密钥分发的设想，在更远的距离即千公里级完成了实验。

具体来看，量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号，地面接收的方式，“墨子号”量子卫星过境时，与河北兴隆地面光学站建立光链路，通信距离从645公里到1200公里。

根据“墨子号”实验结果，在1200公里通信距离上，卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子，一次过轨对接实验可生成300kbit的安全密钥，平均成码率可达1.1kbps。

这些数据背后有一个对比结果，即“星地量子密钥”的传输效率，比传统的技术——也就是同等距离地面光纤信道，要高出20个数量级，即提升万亿亿倍。

《自然》杂志的审稿人称赞星地量子密钥分发成果是 “令人钦佩的成就(impressive achievement)”和“本领域的一个里程碑(it constitutes a milestone in the field)”，并称“毫无疑问将引起量子信息、空间科学等领域的科学家和普通大众的高度兴趣，并导致公众媒体极为广泛的报道”。

(2)量子隐形传态实验：传统光纤重复该工作需要3800亿年

《自然》杂志8月10日发表的另一篇潘建伟团队文章，则是关于量子隐形传态，它利用量子纠缠，可以将物质的未知量子态，精确传送到遥远地点，而物体本身却不需要移动。

在卡尔?齐姆勒斯看来，这是量子力学中“最著名却神秘莫测”的方面。他说，在这个实验中，潘建伟团队展示了如何用处于纠缠态的光子，来实现这一点。

具体来看，“墨子号”量子卫星过境时，与海拔5100m的西藏阿里地面站建立光链路。地面光源每秒产生8000个“量子隐形传态事例”，地面向卫星发射纠缠光子，实验通信距离从500公里到1400公里，所有6个待传送态，均以大于99.7%的置信度超越经典极限。

按照潘建伟的说法，假设在同样长度的光纤中重复这一工作，需要3800亿年——也就是宇宙年龄的20倍，才能观测到1个事例。

《自然》杂志审稿人称，“这些结果代表了远距离量子通信持续探索中的重大突破”，“这个目标非常新颖并极具挑战性，它代表了量子通信方案现实实现中的重大进步”。

在6月16日，中国率先实现“千公里级”星地双向量子纠缠分发时，潘建伟就提到的，没做成(这项实验)时，外界有很多怀疑，如今花费这么多时间做成了，国际上都纷纷表示要“尽可能赶上”。

正如一位美国同行所说，虽然第一艘宇航飞船和第一个人造卫星都是苏联做出来的，但登月，美国却是第一个。他们觉得只要努力，就可以在量子领域赶超中国。潘建伟说，“所以，我们不敢懈怠。”

如今，在“墨子号”量子卫星预定科学任务全部完成之时，白春礼又说了同样意思的一番话：“创新永无止境，也容不得半点懈怠，不进则退、慢进也是退。”

他说，目前，我们在量子通信研究领域保持着领跑优势，但竞争日趋激烈。美国已经发布了新的量子科研计划，欧盟、日本也在加紧研究，在新一轮的科研比拼中，我们面临的形势之严峻和压力之大，都将超过以往。