“空間量子科學(xué)領(lǐng)域在這些年得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，我們中國(guó)的貢獻(xiàn)起了關(guān)鍵性作用。特別是在2011年立項(xiàng)了‘墨子號(hào)’量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)展之下，2016年成功發(fā)射了國(guó)際首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。在這顆衛(wèi)星的幫助下，我們?cè)趪?guó)際上的科學(xué)實(shí)驗(yàn)跨越非常大?！?月24日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員彭承志在“2021 量子信息技術(shù)學(xué)術(shù)交流大會(huì)”上進(jìn)行報(bào)告時(shí)表示。

彭承志介紹道，有了衛(wèi)星，能實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)的量子通信、地星量子隱形傳態(tài)、星地雙向量子糾纏分發(fā)等。“空間量子科學(xué)大有可為，有很多新的前沿讓我們探索?！?/p>

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員彭承志

彭承志是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員，博士生導(dǎo)師，同時(shí)擔(dān)任起源于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的世界首家量子科技上市公司——科大國(guó)盾量子技術(shù)股份有限公司（簡(jiǎn)稱“國(guó)盾量子”，688027）董事長(zhǎng)。

中科大官網(wǎng)顯示，彭承志自從事量子通信研究以來，始終圍繞著量子信源、傳輸通道以及探測(cè)這三個(gè)核心問題，將光纖、自由空間兩種不同信道的量子通信實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)進(jìn)行了融合和交叉研究，在實(shí)用化誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)和基于糾纏的量子通信研究方向上取得了若干研究成果。2011年，中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星正式立項(xiàng)，彭承志被任命為科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師和衛(wèi)星系統(tǒng)副總師。

從最初的簡(jiǎn)單想法延伸到空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的大領(lǐng)域

量子具有“不可克隆定理”，就是說無法做到克?。◤?fù)制）一個(gè)量子態(tài)而對(duì)被克隆的量子態(tài)不產(chǎn)生影響。而任何未授權(quán)方企圖竊取密鑰的探測(cè)都可以看作是一種“克隆”，這就會(huì)帶來額外的誤碼，授權(quán)用戶在后處理過程中會(huì)根據(jù)誤碼發(fā)現(xiàn)有人竊聽。因此，量子通信能夠保障通信安全。

量子通信采用的載體是單個(gè)光子，單光子在光纖中傳輸不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些損耗?！爱?dāng)時(shí)業(yè)界基本認(rèn)為：光纖量子通信的距離很難超過100或200公里?！迸沓兄颈硎尽?/p>

“所以，作為一種通信方式，或者一種密鑰傳輸?shù)姆绞?，怎樣?shí)現(xiàn)全球覆蓋？我們自然而然就想，地面做不下去，就利用天上的衛(wèi)星平臺(tái)。光子在太空傳輸時(shí)幾乎沒有衰減，這種特性讓我們來考慮用來實(shí)現(xiàn)廣域、覆蓋全球的量子通信?！迸沓兄颈硎?，要做到這一點(diǎn)，最核心是實(shí)現(xiàn)光源探測(cè)和光量子態(tài)在星地空間的傳輸。

“如果能做到這一點(diǎn)，不僅可以傳輸相干的量子態(tài)，還可以把糾纏搬到星地空間，把原來只能在地面實(shí)驗(yàn)室做的近距離的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)，放到一個(gè)更廣的系統(tǒng)上。更進(jìn)一步，當(dāng)量子糾纏在重力場(chǎng)傳輸時(shí)，這就跟大家關(guān)注的前沿物理問題結(jié)合在一起：廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的融合理論。而且這種量子傳輸還可以用來做一些廣域高精度光頻標(biāo)實(shí)驗(yàn)?！?/p>

彭承志表示，這樣就從最早的遠(yuǎn)距離量子通信問題，衍生出許多空間量子科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域。這些領(lǐng)域共同構(gòu)成整個(gè)空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)大領(lǐng)域。

彭承志介紹道，2016年成功發(fā)射“墨子號(hào)”衛(wèi)星，在衛(wèi)星幫助下，他們?cè)趪?guó)際上率先開展了系列空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)。他們實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)量子密鑰分發(fā)，分發(fā)速率約1kbps，比同距離光纖提高20個(gè)數(shù)量級(jí)；還實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)地星量子隱形傳態(tài)，千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)，以及空間尺度嚴(yán)格滿足“愛因斯坦”量子力學(xué)的非定域性檢驗(yàn)。

他們第一次利用量子衛(wèi)星在地球引力場(chǎng)中，對(duì)嘗試融合廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的模型進(jìn)行檢驗(yàn)。他們檢驗(yàn)了“事件形式”模型的參數(shù)，在500公里軌道排除了“事件形式”理論預(yù)言的引力導(dǎo)致糾纏退相干現(xiàn)象。他們還把量子密鑰分發(fā)和時(shí)間頻率的傳遞結(jié)合，首次實(shí)現(xiàn)量子安全時(shí)間傳遞。

“未來，通過“墨子號(hào)”、京滬干線的成功實(shí)施，我們可能率先凝聚一個(gè)共識(shí)：打造一個(gè)天地一體、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)?！迸沓兄颈硎?，“這張網(wǎng)絡(luò)不僅瞄準(zhǔn)下一代信息安全的趨勢(shì)，還可以給未來空間的基礎(chǔ)科學(xué)研究提供一個(gè)非常好的平臺(tái)。”

他們將推動(dòng)量子通信技術(shù)在國(guó)防、政務(wù)、金融和能源等領(lǐng)域率先加以廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)的無縫銜接；為形成具有國(guó)際引領(lǐng)地位的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)和下一代國(guó)家信息安全生態(tài)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

下一步往哪走？這是我們能否持續(xù)領(lǐng)先發(fā)展的關(guān)鍵問題

“走到這一步之后，可以說，在量子通信領(lǐng)域，我們短程跟跑并跑，逐步到了領(lǐng)跑位置。下一步往哪走？這是我們能不能夠持續(xù)領(lǐng)先、發(fā)展的關(guān)鍵問題?；卮疬@個(gè)問題，要看我們現(xiàn)在在哪?！?/p>

彭承志指出，“墨子號(hào)”衛(wèi)星存在局限。“墨子號(hào)”是低軌衛(wèi)星，軌道約高500公里（地球半徑約6000公里），所以它對(duì)地球的覆蓋范圍較??；同時(shí)，它的工作時(shí)間偏短（單次過地面站的時(shí)間約9分鐘），而且由于技術(shù)限制，現(xiàn)在只能在夜晚（地影區(qū)）工作。“這極大地限制了它的未來應(yīng)用，和更進(jìn)一步、更有想象力的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展?！?/p>

彭承志表示，未來發(fā)展的一個(gè)可行方向是跟中高軌量子衛(wèi)星相結(jié)合。中高軌量子衛(wèi)星具有一些優(yōu)勢(shì)，如機(jī)動(dòng)的對(duì)站能力、更長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，而且能夠突破地影區(qū)限制，24小時(shí)成碼。

“高軌除了可以做距離更遠(yuǎn)、覆蓋范圍更廣的量子通信，還可以把量子力學(xué)的非定域性檢驗(yàn)再大步往前走。”

非定域性是指處于糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子不管彼此相距多遠(yuǎn)，都是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)整體。這是量子力學(xué)的重要性質(zhì)，也是愛因斯坦質(zhì)疑量子力學(xué)完備性的主要原因。

“量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)一個(gè)終極的問題。要在兩端探測(cè)時(shí)引入一個(gè)‘隨機(jī)’的探測(cè)，來檢驗(yàn)糾纏的非定域性。”彭承志表示，終極的隨機(jī)可能像人類意識(shí)。因此，非定域性檢驗(yàn)需要超遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)，光速飛行所需的時(shí)間超過人的反應(yīng)時(shí)間（約0.1秒），例如地球與月球之間（1.28光秒）?！拔覀兛梢栽谥懈哕壍郎舷茸咭徊?，實(shí)現(xiàn)萬公里級(jí)相應(yīng)的技術(shù)和驗(yàn)證，為未來真正有觀測(cè)者（人）參加的檢驗(yàn)奠定基礎(chǔ)?！?/p>

“量子力學(xué)很有意思的一點(diǎn)是，人類觀測(cè)者能夠決定實(shí)驗(yàn)本身。對(duì)人類觀測(cè)者來說，糾纏到底是獨(dú)立于觀測(cè)存在，還是說人類觀測(cè)的引入會(huì)導(dǎo)致糾纏特性的改變。這是我們未來要做的?！?/p>

高軌道條件下還能夠探索廣義相對(duì)論與量子力學(xué)融合。比如，發(fā)射高軌衛(wèi)星時(shí)，首先將衛(wèi)星發(fā)射到一個(gè)較低的軌道，然后逐步到高軌上。衛(wèi)星變軌，可以探索新的引力紅移的探測(cè)方法等。此外，高軌道還能進(jìn)行廣域高精度時(shí)頻傳遞，提升大地重力勢(shì)測(cè)量、基礎(chǔ)理論檢驗(yàn)、國(guó)際基本計(jì)量單位傳遞能力。

國(guó)際有很多空間量子科學(xué)研究的布局，我們也沒有停下

“隨著‘墨子號(hào)’的引領(lǐng)，歐美國(guó)家也迅速增加了很多空間量子科學(xué)的研究布局。包括NASA（美國(guó)航天局）的計(jì)劃、ESA（歐洲航天局）的計(jì)劃，他們關(guān)注的方向非常清晰?！迸沓兄颈硎?。

2017年11月，NASA發(fā)布空間基礎(chǔ)量子物理白皮書，目標(biāo)在量子相干與量子糾纏、量子精密測(cè)量、量子物質(zhì)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破；ESA發(fā)布空間量子技術(shù)白皮書，目標(biāo)在量子通信、給予量子相干測(cè)量的時(shí)頻傳遞與對(duì)地測(cè)量、基礎(chǔ)量子物理實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。

2019年，歐盟專門制定一個(gè)泛歐地面和天基量子通信基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)議；2021年G7峰會(huì)，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等7國(guó)聯(lián)合開發(fā)基于衛(wèi)星的量子加密網(wǎng)絡(luò)“聯(lián)邦量子系統(tǒng)”。2021年，奧地利Zeilinger團(tuán)隊(duì)，提出基于糾纏源參數(shù)優(yōu)化的星地糾纏QKD策略，并在144km水平鏈路進(jìn)行演示驗(yàn)證；意大利Paolo小組，利用集成硅基光學(xué)芯片實(shí)現(xiàn)145米自由空間白天KQD；美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室研究了適用于白天自由空間量子通信的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。

“所以，雖然他們嘴上說一些東西還不實(shí)用，實(shí)際上，技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究一直在做。我們也沒有停下來。”

從低軌衛(wèi)星的方向來看，彭承志介紹表示，他們正研制重約100公斤的微納空間量子密鑰分發(fā)衛(wèi)星，QKD載荷35公斤，預(yù)計(jì)2022年發(fā)射?！斑@是真正有業(yè)務(wù)價(jià)值的?！蹦壳?，中國(guó)科大等聯(lián)合團(tuán)隊(duì)已基本完成小型化、輕量化的衛(wèi)星載荷，重量從原來的幾百公斤降至30多公斤。

與此同時(shí)，部分已經(jīng)成熟的技術(shù)也開始進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化。最近，作為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)，國(guó)盾量子在原“墨子號(hào)”衛(wèi)星地面站的基礎(chǔ)上合作研發(fā)了輕量化、可搬運(yùn)的地面接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)體積由4米乘3米，重13噸，縮小至1.2米乘0.5米，重量低于100公斤。彭承志指出，小型化的地面站是未來大規(guī)模用戶接入的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

發(fā)展中高軌，則需要突破地影區(qū)的限制，這就需要高效傳輸、噪聲抑制，以及高精度發(fā)射。他們?cè)诎l(fā)展基于深度學(xué)習(xí)的新型自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償方法、研制具備高效單模光纖接受的大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，并進(jìn)行星地鏈路測(cè)試。

他們已經(jīng)在南山和上海進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?！拔覀?cè)趲资铩㈤L(zhǎng)時(shí)間、地面的驗(yàn)證上已經(jīng)取得了突破，可以說，地面的關(guān)鍵技術(shù)都得到充分的驗(yàn)證?，F(xiàn)在我們希望得到更多支持，在中高軌道進(jìn)一步發(fā)展?！?/p>