“墨子号”实现星地量子密钥分发和地星量子隐形传态圆满完成全部既定科学目标

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2017-08-10 10:00

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中国科学院日前召开新闻发布会，宣布量子科学实验卫星“墨子号”在国际上首次成功实现从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态，两项成果于8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。这是继先前在国际上率先实现千公里级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验的研究成果以封面文章形式发表在《科学》杂志后，我国科学家利用“墨子号”实现的空间量子物理研究另外两项重大突破。至此，“墨子号”提前圆满实现全部三大既定科学目标，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。

中科院院长、党组书记白春礼出席发布会并讲话。

星地量子密钥分发和地星量子隐形传态两项重大成果由中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其同事彭承志等组成的研究团队，联合中科院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、南京天文仪器有限公司、国家空间科学中心等，在中科院空间科学战略性先导科技专项的支持下完成。

量子通信的研究内容之一是量子密钥分发。通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求。千百年来，人们对于通信安全的追求从未停止。然而，基于计算复杂性的传统加密技术，在原理上存在着被破译的可能性。随着数学和计算能力的不断提升，经典密码被破译的可能性与日俱增。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。量子通信的另一重要内容是量子隐形传态，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，而不用传送物质本身。远距离量子隐形传态是实现分布式量子信息处理网络的基本单元。

量子通信通常采用单光子作为物理载体，最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输。但是，这两种信道的损耗都随着距离的增加而指数增加。由于量子不可克隆原理，量子通信的信号不能像经典通信那样被放大，这使得之前量子通信的世界纪录仅为百公里量级。因此，如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信是该领域的最大挑战和国际学术界几十年来奋斗的共同目标。

利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点，通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信距离。同时，由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势，是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码和量子隐形传态最有希望的途径。从本世纪初以来，该方向已成为了国际学术界激烈角逐的焦点。潘建伟团队为实现星地量子通信开展了一系列先驱性的实验研究。2003年，潘建伟团队提出了利用卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的方案，随后于2004年在国际上首次实现了水平距离13公里（大于大气层垂直厚度）的自由空间双向量子纠缠分发，验证了穿过大气层进行量子通信的可行性。2011年底，中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年，潘建伟领衔的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态，充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2013年，中科院联合研究团队在青海湖实现了模拟星地相对运动和星地链路大损耗的量子密钥分发实验，全方位验证了卫星到地面的量子密钥分发的可行性。随后，该团队经过艰苦攻关，克服种种困难，最终成功研制了“墨子号”量子科学实验卫星。“墨子号”于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空，经过四个月的在轨测试，2017年1月18日正式交付开展科学实验。

星地高速量子密钥分发是“墨子号”的科学目标之一。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”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。在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级（万亿亿倍）。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300 kbit的安全密钥，平均成码率可达1.1 kbps。这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。此外，将量子通信地面站与合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线等城际光纤量子保密通信网互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。

《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”和“本领域的一个里程碑”，并断言“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，以及公众媒体极为广泛的报道”。

地星量子隐形传态也是“墨子号”的科学目标之一。量子隐形传态采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式，“墨子号”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。倘若在同样长度的光纤中重复这一工作，则需要3800亿年（宇宙年龄的20倍）才能观测到1个事例。这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究，以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。

《自然》杂志审稿人称赞“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”。

白春礼在讲话中，向“墨子号”全体参研参试人员表示热烈祝贺。他说，2016年8月16日，“墨子号”在酒泉卫星发射中心发射升空，受到国内外高度关注，并入选了习近平总书记2017年新年贺词。“墨子号”今年1月18日完成在轨测试，正式交付并开展科学实验。半年以来，科研团队秉承中科院唯实、求真、协力、创新的一贯作风，精诚合作、刻苦攻关，取得了一系列全球领先的科学成果，赢得了巨大的国际声誉，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。

白春礼表示，“墨子号”全部既定科学目标提前完成，为项目本身画上了一个圆满的句号。与此同时，“墨子号”也开启了全球化量子通信、空间量子物理学和量子引力实验检验的大门，为我国在国际上抢占了量子科技创新制高点，成为了国际同行的标杆，实现了“领跑者”的转变。目前，奥地利已经与中科院科研团队展开合作，德国、意大利等国家的科研团队也申请加入，领跑的量子卫星所产生的聚合效应已经显现。在完成既定科学任务后，“墨子号”也制定了后续拓展实验计划，包括基于纠缠的量子密钥、全天时量子通信等，已经在紧张顺利地进行中。预计在卫星设计寿命期内，还将有更多的科学成果陆续发布。

白春礼指出，党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央把创新摆到国家发展全局的核心位置，把鼓励创新的各项政策落到了实处。面对新的形势、新的机遇，中科院主动担当，2013年启动实施“率先行动”计划，全面推进研究所分类改革，为广大科研工作者营造适合创新、鼓励创新的更好氛围。实际上，“墨子号”就是“率先行动”计划实施以来，中科院集中组合多个相关研究单元，形成了量子信息与量子科技创新研究院、空间科学研究院、微小卫星创新研究院，依托这几个创新研究院完成了工程研制和科学成果产出。

白春礼强调，创新永无止境，也容不得半点懈怠，不进则退、慢进也是退。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。他希望“墨子号”实验团队以及更多的科研工作者把握机遇，以时不我待的精神，艰苦奋斗、勇攀高峰，服务国家、造福人民。

“墨子号”量子卫星是中科院空间科学先导专项在“十二五”期间支持的4颗科学卫星之一，是由我国完全自主研制的世界上第一颗空间量子科学实验卫星。该卫星从科学概念的提出到关键技术突破，从工程组织实施到科学成果的产出，均由中科院主导完成。