8月16日凌晨，中國量子衛(wèi)星“墨子”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。作為世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，發(fā)射升空之后將會(huì)進(jìn)行量子通信實(shí)驗(yàn)。未來在軌運(yùn)行的兩年時(shí)間里，它將配合地面的五個(gè)臺(tái)站，進(jìn)行大量工作，并將幫助我們建立一個(gè)極其安全的全球通信網(wǎng)絡(luò)。

中國空間量子衛(wèi)星領(lǐng)軍人物，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉院士說，之所以起名墨子，因?yàn)槟邮紫韧ㄟ^小孔成像實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光是直線傳播的，而且墨子也提出了某種意義上的粒子論。 “因此，光量子學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星用這位中國先賢命名，我認(rèn)為是很妥帖的?！?/p>

潘院士是如何看待這一壯舉的呢？讓我們看看今年早些時(shí)候Nature對他的采訪。

潘建偉院士。

衛(wèi)星發(fā)射的前期準(zhǔn)備情況如何？

我們總是保持著兩個(gè)念頭。首先的感覺就是“萬事俱備”，我們很開心也很興奮。然而，時(shí)不時(shí)我們會(huì)想：“可能項(xiàng)目不會(huì)成功?！?/p>

面臨著哪些技術(shù)難題？

衛(wèi)星的飛行速度太快，繞地球一圈只需90分鐘。它還會(huì)遇到紊流等各種問題。所以單光子束會(huì)受到很大影響。另外我們還需要克服來自太陽、月亮的背景噪聲，以及來自地面城市的光噪聲。這些都比我們的單光子要強(qiáng)烈得多。

衛(wèi)星的目標(biāo)是什么？

我們的首要任務(wù)是在衛(wèi)星和北京地面站、衛(wèi)星和維也納地面站之間建立量子密鑰分發(fā) (通過光子的量子屬性進(jìn)行編碼和共享的密鑰)。然后我們會(huì)看看以衛(wèi)星為中繼設(shè)備，能否在北京和維也納之間建立量子密鑰。

第二步將進(jìn)行1000公里以上的遠(yuǎn)距離糾纏分發(fā)。我們的技術(shù)可以在衛(wèi)星上產(chǎn)生糾纏光子對。我們會(huì)將光子對中的一個(gè)光子發(fā)射到青海的德令哈站，另一個(gè)光子發(fā)射到云南的麗江站或新疆的南山站。兩個(gè)地面站之間的距離約為1200公里，以往的測試大約為100公里。

是否質(zhì)疑過，無論兩個(gè)粒子距離多遠(yuǎn)都可以保持糾纏？

懷疑量子力學(xué)的人并不太多，但如果探索新的物理內(nèi)容，就必須做到極致。從理論上講，量子糾纏能夠在任何距離間保持。但我們想看一看是否存在物理極限。人們會(huì)問，在經(jīng)典世界和量子世界之間是否具有某種邊界，我們則希望構(gòu)建某種宏觀系統(tǒng)，它可以為我們展示量子現(xiàn)象在這種環(huán)境下仍然可以存在。

將來，我們還計(jì)劃在地球和月球之間嘗試糾纏密鑰分發(fā)。我們希望通過嫦娥計(jì)劃將一顆量子衛(wèi)星發(fā)射至地月系統(tǒng)中的引力穩(wěn)定點(diǎn) (拉格朗日點(diǎn))。

糾纏和量子隱形傳態(tài)的關(guān)系是怎樣的？

位于西藏的阿里站則主要配合衛(wèi)星一起參與第三項(xiàng)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)——量子隱形傳態(tài)。我們將從阿里站將糾纏光子對中的一個(gè)光子發(fā)射至衛(wèi)星。以阿里站的糾纏光子為中轉(zhuǎn)，第三個(gè)光子也將被傳送到太空中的那個(gè)粒子處。

在中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心內(nèi)的量子模擬實(shí)驗(yàn)室，工作人員調(diào)試超冷原子光晶格平臺(tái)的激光伺服系統(tǒng)

在中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心內(nèi)的量子模擬實(shí)驗(yàn)室，工作人員調(diào)試超冷原子光晶格平臺(tái)的激光伺服系統(tǒng)。

量子衛(wèi)星是一個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)空間任務(wù)，中國于2015年12月發(fā)射的暗物質(zhì)粒子探測器 (DAMPE) 也是。這是否意味著基礎(chǔ)研究衛(wèi)星是中國的一個(gè)新趨勢？

是的，我和中科院的同事們都希望推動(dòng)這一領(lǐng)域的發(fā)展。過去，中國只有兩個(gè)機(jī)構(gòu)具備衛(wèi)星發(fā)射能力：軍隊(duì)和工信部。所以科學(xué)家沒有途徑來發(fā)射科研用衛(wèi)星。唯一的例外是我們與歐航局在2003年合作發(fā)射的雙星探測器，用于研究地球的磁暴。

中國科研衛(wèi)星如今有什么進(jìn)展？

中科院的科研人員都非常努力地向政府表達(dá)了我們的需求：擁有發(fā)射科研衛(wèi)星的途徑非常重要。2011年，中國設(shè)立了戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，這包括了暗物質(zhì)粒子探測器和我們的量子衛(wèi)星。這是很重要的一步。

太空衛(wèi)星模擬資料圖。

我認(rèn)為中國的責(zé)任不光是為我們自己做些什么——很多國家都已經(jīng)登陸月球，并進(jìn)行載人空間飛行——而是去探索一些未知的領(lǐng)域。

科學(xué)家們會(huì)參與中國的空間站計(jì)劃天宮嗎？

決定哪些項(xiàng)目可以進(jìn)入空間站的判斷機(jī)制已經(jīng)發(fā)生了很大變化。最初，軍方希望承擔(dān)這一職責(zé)，但最后這一工作落在了中科院的肩上。

我們將在空間站上設(shè)置一個(gè)量子實(shí)驗(yàn)，這將給我們的研究帶來很多便利，因?yàn)槲覀兛梢圆粩嗟貙?shí)驗(yàn)進(jìn)行升級 (不像量子衛(wèi)星)。我們對于這種安排感到非常高興，我們只需要和中科院的領(lǐng)導(dǎo)交換意見，他們也是科學(xué)家，所以交流起來非常方便。

邁向量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵一步

我們知道，“墨子”將為我們創(chuàng)造一個(gè)超安全的通信網(wǎng)絡(luò)，理論上可以鏈接世界任何地方。當(dāng)然，加拿大、日本、意大利和新加坡的科研團(tuán)隊(duì)也計(jì)劃進(jìn)行量子空間實(shí)驗(yàn)。

中國科技大學(xué)物理學(xué)者陸朝陽是中國衛(wèi)星支持團(tuán)隊(duì)的一員，他表示：“可想而知，這將是一場競賽?！标懡淌谠@得知社學(xué)術(shù)圈2015年中國科技新銳人物特別貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。

陸朝陽教授，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)。

飛行器重達(dá)640公斤，是中國空間科學(xué)衛(wèi)星的最新成員。項(xiàng)目耗資1億美元，中國科學(xué)院和奧地利國家科學(xué)院為共同合作方。

量子通信極其安全，因?yàn)槿魏挝⑿〉母蓴_都可以被發(fā)現(xiàn)。雙方共享的密鑰被編碼進(jìn)極化的光子序列中，任何竊聽活動(dòng)都會(huì)留下其痕跡。

目前，科研人員已經(jīng)成功掌握距離長達(dá)300公里的量子通信。光子穿越光纖，傳播會(huì)被散射或吸收。在保持光子脆弱的量子態(tài)時(shí)放大信號(hào)是極為困難的。因此，我國學(xué)者希望通過空間進(jìn)行光子傳輸，在這種環(huán)境下將更為順暢，并能夠覆蓋更遠(yuǎn)的距離。

衛(wèi)星核心部位擁有一塊晶體，能夠產(chǎn)生一對對糾纏的光子，無論它們分開多遠(yuǎn)，其屬性都保持糾纏。飛行器的首要任務(wù)就是向位于北京和維也納的地面工作站發(fā)射這樣的光子對，通過它們生成密鑰。

在未來兩年中，項(xiàng)目組計(jì)劃進(jìn)行一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)測量，即驗(yàn)證空間貝爾不等式從而證明糾纏可以存在于相隔1200公里遠(yuǎn)的粒子之間。盡管量子理論預(yù)測糾纏狀態(tài)可以在任意距離維持，但這個(gè)實(shí)驗(yàn)將進(jìn)一步證明。

研究人員還將嘗試量子隱形傳態(tài)，通過傳統(tǒng)方法傳輸信息，并將糾纏的光子對賦予其中，從而在新位置重建光子的量子態(tài)。

潘建偉院士演示實(shí)用化量子通信產(chǎn)品進(jìn)行遠(yuǎn)距離保密通話。

奧地利國家科學(xué)院物理學(xué)家Anton Zeilinger表示，量子互聯(lián)網(wǎng)很可能要依靠衛(wèi)星與地面工作站的結(jié)合，目前仍存在一些挑戰(zhàn)。比如科學(xué)家需要找到衛(wèi)星之間直接相互交流的方法；需要從不同源頭產(chǎn)生糾纏光子的技術(shù)；需要提高數(shù)據(jù)傳輸效率，使單光子從每秒兆比特級提高到每秒千兆比特級。

最終，空間量子隱形傳態(tài)將使科研人員能夠利用來自衛(wèi)星的光子形成一個(gè)分布式望遠(yuǎn)鏡，以地球的大小為光圈，并提供巨大的分辨率。NASA物理學(xué)家Paul Kwiat說 ：“你將不僅能觀察那些行星，理論上講，連放在木星衛(wèi)星上的一塊車牌都能看到。”

Zeilinger還表示，中國量子衛(wèi)星的試驗(yàn)成功無疑將推動(dòng)其他研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)展，科研經(jīng)費(fèi)也會(huì)更容易劃撥。

參考資料

http://www.nature.com/news/china-s-quantum-space-pioneer-we-need-to-explore-the-unknown-1.19166#/b1

http://www.nature.com/news/chinese-satellite-is-one-giant-step-for-the-quantum-internet-1.20329

新華社

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