从“量子”到“墨子”：小小卫星如何组成太空中的量子星座？

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-10-24 13:25

正文

2016年8月16日，“墨子号”量子科学实验卫星成功发射升空，我国在量子通信上迈出了重要一步。今年是“墨子号”发射八周年，随着“墨子号”、“济南一号”等量子卫星的相继发射，太空中的“量子星座”逐渐酝酿成型，构建覆盖全球、全天时服务的量子通信网络将不再是梦想。

世界首颗量子卫星为什么要以“墨子”命名？“墨子号”在太空中完成了哪些实验任务？“量子星座”的构建，又会怎样影响未来？

▲2016年8月16日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心发射升空

从“量子”到“墨子”

“墨子号”是我国自主研制的国际首颗量子科学实验卫星，这颗卫星被命名为“墨子号”，其背后大有深意。

墨子是春秋末期战国时期著名的思想家、政治家、科学家、军事家，墨家学派创始人和主要代表人物。在战国时期的诸子百家中，墨子对科学技术最为重视。他在宇宙论、数学、物理学和机械制造方面都取得了一定成就。

▲墨子和“墨子号”量子科学实验卫星

历史记载，墨子早在2000多年前就进行了光学实验，发现光沿直线传播，绘制了凹面反射镜光聚焦、小孔成像等光路图，还测试计算了水的折射率。“就像国外有伽利略卫星、开普勒望远镜一样，以中国古代伟大科学先贤的名字来命名全球首颗量子卫星，可以增强我国的文化自信和科研自信。”“墨子号”首席科学家潘建伟说。

“墨子号”：小身板，大功用

▲“墨子号”卫星

“墨子号”虽然体型小、重量轻，却承担着完成空间大尺度量子科学实验的重要任务。

作为一颗量子科学实验卫星，“墨子号”在发射前便收到了“三大科学任务”，即星地量子纠缠分发实验、星地量子密钥分发实验和地星量子隐形传态实验。

星地量子纠缠分发实验是利用“墨子号”实现千公里级量子纠缠分发。量子纠缠分发就是将一对相互纠缠的粒子分发到两地，随后，用贝尔不等式判断这对粒子是否还相互纠缠。在此之前，潘建伟团队已经在青海湖实现了首次百公里级的量子纠缠分发。在此次千公里级纠缠分发实验中，“墨子号”利用携带的每秒可产生800万对纠缠光子的量子纠缠源，向地面上的观测站发送其中一个纠缠光子，成功建立了让“墨子号”和地面站共享的量子纠缠，完成了星地量子纠缠分发。

▲星地量子纠缠分发实验

星地量子密钥分发实验是指地面的观测站接收“墨子号”发射出的携带信息的光子，并对其进行测量、获得信息。经过对信息的一系列比对、筛选，使得“墨子号”和地面观测站共享安全密钥，以此来加密和解密信息。

▲星地量子密钥分发实验

地星量子隐形传态实验是指“墨子号”在距地500-1400千米的太空中，接收地面观测站发射的光子，以验证卫星与地面之间远距离量子隐形传态的可行性，成功地展示了构建量子网络的可能性。

▲地星量子隐形传态实验

发射入轨后的一年时间内，“墨子号”圆满完成了全部预定科学实验任务：在国际上首次完成千公里级星地双向量子纠缠分发实验、完成了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验、国际上首次成功实现从卫星到地面的千公里级量子密钥分发和地面到卫星的千公里量子隐形传态。

“墨子号”与量子星座

2022年7月27日，世界首颗量子微纳卫星“济南一号”成功发射升空。“济南一号”卫星的重量仅是“墨子号”的六分之一，更小更轻便的同时，也大大降低了研制经费与时间周期。

▲2022年7月27日，世界首颗量子微纳卫星“济南一号”成功发射升空

随着太空中的量子卫星大家庭成员不断增加，未来量子卫星将进一步组成网络，构建由高、中、低轨道卫星组成的“量子星座”。潘建伟院士预计，到2025年，中国将发射两到三颗低轨道卫星，它们将与2027年发射的1万公里级的高轨量子卫星组成星座，并与基于光纤的量子通信网络相结合，提供全球量子网络服务。“这有望在未来5到10年内实现，我们将提供一些真正实用的东西。”