◎本報(bào)記者 吳長(zhǎng)鋒

　　記者7月13日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)了解到，日前，由于在遠(yuǎn)距離量子通信特別是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星方面所取得的一系列具有開創(chuàng)性意義的工作，該校潘建偉及其同事彭承志、陸朝陽、曹原應(yīng)邀在《現(xiàn)代物理評(píng)論》上發(fā)表題為“基于'墨子號(hào)’衛(wèi)星的空間量子實(shí)驗(yàn)”的長(zhǎng)篇綜述論文。

　　《現(xiàn)代物理評(píng)論》是國(guó)際物理學(xué)界最權(quán)威的綜述性期刊，每年僅發(fā)表約40篇學(xué)術(shù)論文。該期刊一般不接受自由投稿，主要是邀請(qǐng)?jiān)诟黝I(lǐng)域卓有建樹的物理學(xué)家執(zhí)筆，旨在對(duì)當(dāng)今物理研究的重大熱點(diǎn)問題作歷史總結(jié)、原理闡述、現(xiàn)狀分析和趨向預(yù)測(cè)。

　　這篇46頁的綜述論文，全面介紹了國(guó)際空間量子科學(xué)研究近20年來取得的成就，重點(diǎn)闡述了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星從前期關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，包括衛(wèi)星系統(tǒng)、科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)等6大系統(tǒng)的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的建設(shè)和研制，到衛(wèi)星在軌運(yùn)行后所取得的系統(tǒng)性科研成果，為國(guó)際學(xué)術(shù)界提供了寶貴的資料。

　　論文從量子信息理論的基本概念、早期量子通信和量子信息相關(guān)原理性實(shí)驗(yàn)、面向衛(wèi)星的地面大空間尺度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以及“墨子號(hào)”衛(wèi)星從立項(xiàng)、研制、在軌運(yùn)行到最終在國(guó)際上率先完成一系列星地量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述和總結(jié)。同時(shí)，該綜述論文還對(duì)國(guó)際空間量子科學(xué)的研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理。

　　中國(guó)空間量子科學(xué)研究走在世界最前列

　　量子通信基于量子物理學(xué)的基本原理，克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明無條件安全的通信方式，可以從根本上解決國(guó)防、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問題。量子通信通常采用單光子作為物理載體，最為直接的傳輸方式是光纖或者近地面自由空間信道。

　　由于外太空幾乎真空，對(duì)于光信號(hào)的吸收損耗幾乎為零，因此通過衛(wèi)星的輔助可以極大擴(kuò)展量子通信距離。21世紀(jì)初以來，該方向已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界激烈角逐的焦點(diǎn)。

　　潘建偉團(tuán)隊(duì)為實(shí)現(xiàn)星地量子通信開展了一系列先驅(qū)性的實(shí)驗(yàn)研究。2003年，該團(tuán)隊(duì)提出了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)星地間量子通信、構(gòu)建覆蓋全球量子保密通信網(wǎng)的方案，隨后于2004年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了水平距離13公里（大于大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)，驗(yàn)證了穿過大氣層進(jìn)行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正式立項(xiàng)。2012年，潘建偉領(lǐng)銜的中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了首個(gè)百公里的雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，充分驗(yàn)證了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)量子通信的可行性。2013年，中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了模擬星地相對(duì)運(yùn)動(dòng)和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，全方位驗(yàn)證了衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)的可行性。隨后，該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過艱苦攻關(guān)，克服種種困難，最終成功研制了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。

　　“墨子號(hào)”衛(wèi)星于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過4個(gè)月的在軌測(cè)試，2017年1月18日正式交付開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

　　潘建偉團(tuán)隊(duì)利用“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星在國(guó)際上率先完成了一系列具有開創(chuàng)意義的星地量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)：完成了星地量子密鑰分發(fā)、北京到維也納的洲際量子密鑰分發(fā)，基于糾纏的無需可信中繼量子密鑰分發(fā)，并進(jìn)一步在量子保密通信京滬干線與“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星之間成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)接，驗(yàn)證了星地廣域量子通信的可行性；完成了首個(gè)地星量子隱形傳態(tài)以及星地量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸，證明了在地星千公里距離上能夠完成量子比特的傳輸，為全球化量子信息處理網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)……

　　這些空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)成果使我國(guó)第一次在空間量子科學(xué)研究領(lǐng)域走到了世界最前列，牢牢占據(jù)了空間量子科學(xué)研究領(lǐng)域的主導(dǎo)和引領(lǐng)地位。

　　引發(fā)國(guó)際空間量子科學(xué)研究熱潮

　　“墨子號(hào)”的成功激勵(lì)了國(guó)際空間量子科學(xué)的研究熱潮，美國(guó)、歐盟、日本等國(guó)際上的各方力量隨后皆開始探索自己的廣域量子通信之路，提出或加速了一系列空間量子科學(xué)布局。

　　2021年6月，美國(guó)、英國(guó)、日本、加拿大、意大利、比利時(shí)和奧地利7國(guó)更是在G7峰會(huì)上達(dá)成合作，首次計(jì)劃聯(lián)合開發(fā)一個(gè)基于衛(wèi)星的量子加密網(wǎng)絡(luò)——“聯(lián)邦量子系統(tǒng)”（FQS），利用量子技術(shù)的突破來防范日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)攻擊等。

　　論文的最后，作者對(duì)未來空間量子科學(xué)的主要發(fā)展方向進(jìn)行了展望，提出空間量子科學(xué)研究必將從低軌道平臺(tái)跨越到中高軌平臺(tái)，甚至是深空平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，利用中高軌衛(wèi)星平臺(tái)覆蓋范圍廣、實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、微重力環(huán)境好等優(yōu)勢(shì)，將空間量子通信技術(shù)同時(shí)交叉應(yīng)用于遠(yuǎn)距離高精度時(shí)頻傳遞和空間超冷原子物理等領(lǐng)域，在量子精密測(cè)量、量子物理與廣義相對(duì)論融合等基礎(chǔ)科學(xué)問題方面獲得更豐富的科學(xué)產(chǎn)出。

　　據(jù)了解，該論文是潘建偉團(tuán)隊(duì)在該期刊上繼2012年的“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”以及2020年的“基于現(xiàn)實(shí)器件的安全量子密鑰分發(fā)”之后的第3篇綜述論文。

（《科技日?qǐng)?bào)》2022年7月14日，第  1 版）