2030年率先建成全球化广域量子保密通信网络
中国“墨子号”领跑全球量子通信时代
量子卫星发射升空。 新华社发
揭秘
2016年8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。这将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。这既意味着中国科学家率先向星地量子通信发起挑战，更意味着中国或将领先欧美获得量子通信覆盖全球的能力。
后来居上领跑量子通信
量子卫星首席科学家潘建伟院士介绍，量子通信的安全性基于量子物理基本原理，单光子的不可分割性和量子态的不可复制性保证了信息的不可窃听和不可破解，从原理上确保身份认证、传输加密以及数字签名等的无条件安全，可从根本上、永久性解决信息安全问题。
量子通信的实用化和产业化已经成为各大国争相追逐的目标。在量子通信的国际赛跑中，中国属于后来者。但经过多年努力，中国已跻身国际一流的量子信息研究行列，在城域量子通信技术方面也走在了世界前列，已建设完成合肥、济南等规模化量子通信城域网，“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网也即将竣工。
国际上还没有一个国家将量子科学实验送入空间，量子卫星的研制没有任何经验可循，过程充满了困难和挑战。潘建伟表示，我国自主研发的量子卫星突破了一系列关键技术，包括高精度跟瞄、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等。量子卫星的成功发射和在轨运行，将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位，实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升，有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破，对于推动我国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。
“四种武器”挑战四大实验
量子卫星2011年12月立项，是中科院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。卫星发射入轨后将进行3个月左右的在轨测试，然后转入在轨运行阶段。
工程还建设了包括南山、德令哈、兴隆、丽江4个量子通信地面站和阿里量子隐形传态实验站在内的地面科学应用系统，与量子卫星共同构成天地一体化量子科学实验系统。在两年的设计寿命期间将进行四大实验任务——星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验、地星量子隐形传态实验。
潘建伟介绍，实验大致分为三类：第一类是进行卫星和地面之间的量子密钥分发，实现天地之间的安全通信，如果4个地面站任何两两之间都可以实现安全的通讯，即可实现组网；第二类相当于把量子实验室搬到太空，在空间尺度检验量子理论；第三类是实现卫星和地面千公里量级的量子态隐形传输。
天地量子科学实验非常复杂，对天地实验设备的要求也异乎寻常的高。潘建伟坦言，卫星研制过程中，最困难的环节就是有效载荷，“攻克了许多技术难题才拿下”。
比如量子纠缠源，它只有机顶盒的大小，作用却非常关键，它能够产生纠缠光，这是量子卫星在空中做各种实验的源头。平时实验室里纠缠源的体积非常巨大，研究人员不仅把它做到了小型化，还通过一系列的创新让它实现了满足空间环境要求，在国际上是首次实现。
量子卫星对精准控制的要求也前所未有的高。量子卫星系统总师朱振才介绍，量子卫星飞行中，携带的两个激光器要分别瞄准两个相距上千公里的地面站，向左向右同时传输量子密钥，且卫星上的光轴和地面望远镜的光轴要始终精确对准，就好比卫星上的“针尖”对地面上的“麦芒”。科研团队进行了各种实验，最终突破了星地光路对准等关键技术，对准精度可以达到普通卫星的10倍。
“激光器一站对一站有人做过，但一颗卫星对准两个地面站国际上还从来没有过。如果成功的话，在国际上也是首次实现这么高精度的跟踪和地面站配合。”中科院国家空间科学中心主任吴季说。
“量子星群”引领量子时代
此刻，量子卫星已在太空轨道上翱翔。而它最初的构想，始于十几年前。
2001年，31岁的潘建伟从欧洲回国，在中科大组建了量子信息实验室。2005年，潘建伟团队在世界上第一次实现13公里自由空间量子通信实验，验证了星地量子通信的可行性。随后，他们又不断创造“传奇”。
潘建伟说，“墨子号”发射以后，如果效果达到预期，下一步还计划发射“墨子二号”“墨子三号”。“单颗低轨卫星无法覆盖全球，同时由于强烈的太阳光背景，目前的星地量子通信只能在夜间进行。要实现高效的全球化量子通信，还需要形成一个卫星网络。”
未来，一个由几十颗量子卫星组成的“璀璨星群”，将与地面量子通信干线“携手”，支撑起“天地一体”的量子通信网。到2030年左右，中国力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络。在此基础上，构建信息充分安全的“量子互联网”，形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统。
“安全的通信是属于我们的，但是科学研究是面向全世界开放的。”潘建伟透露，第一个开放的项目是与奥地利科学院合作，实现北京和维也纳之间的洲际量子保密通讯，之后将和更多国家合作开展量子信息技术方面的研究。
新华日报2016年8月17日