北京時(shí)間8月10日凌晨1點(diǎn)在線出版的英國《自然》雜志上，兩篇來自同一國家、同一科研團(tuán)隊(duì)的研究論文同時(shí)在線發(fā)表，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事的名字，兩次出現(xiàn)在這期《自然》雜志上。

這兩篇論文，也同時(shí)宣告了兩個(gè)“第一次”：完全由我國自主研制的世界上第一顆空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——“墨子號(hào)”在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。

至此，連同先前在《科學(xué)》雜志發(fā)表的首次實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)的研究成果，“墨子號(hào)”已圓滿實(shí)現(xiàn)了三大既定科學(xué)目標(biāo)。用潘建偉的話說，千公里級(jí)的星地雙向量子通信，終于“從理想王國走到了現(xiàn)實(shí)王國”。

從天下地：絕對(duì)安全的“鴻雁傳書”

信息安全是人類共同的追求。千百年來，人們對(duì)于通信安全的追求從未停止。然而，只要是基于計(jì)算復(fù)雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù)，在原理上就存在著被破譯的可能。隨著數(shù)學(xué)和計(jì)算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性更是與日俱增。

與經(jīng)典通信不同，量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對(duì)信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密。“這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。”潘建偉說。

量子的不可克隆性讓其成為絕對(duì)安全的通信方式，但也讓量子信號(hào)不能像經(jīng)典通信一樣通過復(fù)制被放大，再加上地面?zhèn)鬏斝盘?hào)的損耗非常大，因此之前地面上的量子通信，最遠(yuǎn)距離不過百公里量級(jí)。

為了更好地利用這把“雙刃劍”，實(shí)現(xiàn)安全、長(zhǎng)距離、可實(shí)用化的量子通信，潘建偉等人將目光投向了外太空。

“墨子號(hào)”量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號(hào)，地面接收的方式，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星過境時(shí)，與河北興隆地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高萬億億倍。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬個(gè)信號(hào)光子，一次過軌對(duì)接實(shí)驗(yàn)可生成300千比特的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)1.1千比特每秒。“這些密鑰足夠我們加載很多數(shù)據(jù)，例如在新疆和興隆兩個(gè)地面站之間進(jìn)行加密的量子視頻通話。”潘建偉解釋稱。

中科院上海技術(shù)物理研究所研究員，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總師、衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮王建宇認(rèn)為，這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。“比如，將來我們可以進(jìn)行量子衛(wèi)星組網(wǎng)，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)展到覆蓋全球；如果將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網(wǎng)互聯(lián)，就可以構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò)。”

由地上天：通往未來的“任意門”

如果在北京工作的科學(xué)家要到上海去參加會(huì)議，有沒有比飛機(jī)、火車更快的方式？如果未來人類要到太陽系以外旅行，但飛船飛得太慢怎么辦？中國神話傳說中的“順風(fēng)耳”、“千里眼”究竟能不能實(shí)現(xiàn)？

如果問一個(gè)小朋友這些問題，他也許會(huì)回答，用哆啦A夢(mèng)的“任意門”。但現(xiàn)實(shí)世界真的能造出這樣的“任意門”嗎？潘建偉說，有可能。“墨子號(hào)”開展的地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了他的大膽想象。

量子隱形傳態(tài)是量子通信的另一大重要內(nèi)容，在理論上，利用量子糾纏的原理，人們可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身。

“墨子號(hào)”的量子隱形傳態(tài)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式，衛(wèi)星過境時(shí)，與海拔5100m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產(chǎn)生8000個(gè)量子隱形傳態(tài)事例，地面向衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，實(shí)驗(yàn)通信距離從500公里到1400公里，所有6個(gè)待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。

而根據(jù)測(cè)算，在同樣長(zhǎng)度的光纖中重復(fù)這一工作，則需要3800億年才能觀測(cè)到1個(gè)事例。

“遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)是實(shí)現(xiàn)分布式量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元。”潘建偉說，“這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究，以及空間量子物理學(xué)和量子引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。”

領(lǐng)跑的“墨子號(hào)”

“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星全部三大既定科學(xué)目標(biāo)的成功實(shí)現(xiàn)，為我國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗(yàn)前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

《自然》雜志物理科學(xué)主編卡爾·齊姆勒斯（Karl Ziemelis）在評(píng)價(jià)這兩項(xiàng)成果時(shí)說：“潘建偉和他的研究團(tuán)隊(duì)順利完成了三項(xiàng)量子實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)將會(huì)是全球任何基于空間的量子網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分。這些實(shí)驗(yàn)中的量子技術(shù)已經(jīng)突破了天空的限制，由于因?yàn)橹袊�在物理學(xué)方面的投資與努力，該研究團(tuán)隊(duì)才能夠?qū)��?yīng)用型量子通信技術(shù)方面的研究提升到如此的天文高度。”

作為中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)在“十二五”期間支持的4顆科學(xué)衛(wèi)星之一，“墨子號(hào)”從科學(xué)概念的提出到關(guān)鍵技術(shù)突破，從工程組織實(shí)施到科學(xué)成果的產(chǎn)出，均由中科院主導(dǎo)完成。

自2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空以來，“墨子號(hào)”就備受國內(nèi)外高度關(guān)注，并入選了習(xí)近平總書記2017年新年賀詞。今年1月18日，“墨子號(hào)”完成在軌測(cè)試，正式交付并開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

令許多人沒想到的是，僅僅半年過去，“墨子號(hào)”就接連取得了一系列全球領(lǐng)先的科學(xué)成果。在中科院院長(zhǎng)白春禮看來，“墨子號(hào)”系列成果贏得了巨大國際聲譽(yù)，標(biāo)志著我國在量子通信領(lǐng)域的研究在國際上達(dá)到全面領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)地位。衛(wèi)星全部既定科學(xué)目標(biāo)的提前完成，為項(xiàng)目畫上了一個(gè)圓滿的句號(hào)。

“同時(shí)，‘墨子號(hào)’也開啟了全球化量子通信、空間量子物理學(xué)和量子引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的大門，為我國在國際上搶占了量子科技創(chuàng)新制高點(diǎn)，成為了國際同行的標(biāo)桿，實(shí)現(xiàn)了‘領(lǐng)跑者’的轉(zhuǎn)變。”白春禮說。

實(shí)際上，領(lǐng)跑的“墨子號(hào)”所產(chǎn)生的聚合效應(yīng)已經(jīng)開始顯現(xiàn)。目前，奧地利已經(jīng)與中科院科研團(tuán)隊(duì)展開合作，德國、意大利等國家的科研團(tuán)隊(duì)也在申請(qǐng)加入合作研究。

而“墨子號(hào)”也馬不停蹄地開啟了下一段征程。目前，科研團(tuán)隊(duì)已制定了后續(xù)拓展實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，基于糾纏的量子密鑰、全天時(shí)量子通信等實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)在緊張、順利地進(jìn)行中。白春禮期待著，在衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)，這顆中國人的空間科學(xué)衛(wèi)星，還能產(chǎn)生更多科學(xué)成果。