潘建偉：深度解讀量子通信衛(wèi)星

潘建偉：深度解讀量子通信衛(wèi)星創(chuàng)作：歐陽史時間：2021.02.10創(chuàng)作：歐陽史中國成功發(fā)射全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星2016年8月16日北京時間凌晨1時40分，全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子”號在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，標志著我國在量子通信領(lǐng)域全面領(lǐng)先于世界?！澳犹枴绷孔油ㄐ判l(wèi)星發(fā)射期間，《環(huán)球科學》專訪中國量子通信領(lǐng)軍人物、空間量子科學實驗衛(wèi)星計劃的首席科學家潘建偉院±,為讀者深度解讀“墨子號”?！董h(huán)球科學》：能否簡單解釋一下什么是量子通信？潘建偉：這是目前唯一得到嚴格證明的無條件安全的通信手段。傳統(tǒng)的信息安全依賴于計算的復雜，一旦擁有足夠強大的計算能力，所有依賴于計算復雜度的傳統(tǒng)加密算法原則上都會被破解。量子通信的安全性基于量子力學基本原理，單光子的不可分割性和量子態(tài)的不可復制性從原理上保證了信息的不可竊聽和不可破解。只要量子力學是正確的，量子通信的安全性就嚴格得到保障，與計算能力無關(guān)，因此可從根本上、永久性地解決信息安全問題。在城市范圍內(nèi)，通過光纖構(gòu)建城域量子通信網(wǎng)絡(luò)是最有效的手段。我國在實用化城域量子通信技術(shù)方面處于國際領(lǐng)先，在合肥、濟南、上海、北京等地都建成或即將建成規(guī)模化的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，并初步應(yīng)用于國防、政務(wù)、金融等領(lǐng)域的信息安全。然而，由于光纖的固有損耗，按照目前的技術(shù)，光纖中點對點的量子通信最多只能達到百公里量級。另一方面，由于大氣層對光子的吸收很有限，將光子送到外太空再通過衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)，是實現(xiàn)數(shù)千公里乃至全球化量子通信的有效手段。《環(huán)球科學》：您是如何產(chǎn)生用衛(wèi)星來試驗量子通信的想法，又經(jīng)過了哪些準備工作？潘建偉：2003年起，在大多數(shù)同行仍致力于在實驗室里實現(xiàn)量子通信的時候，我就想到為了真正實現(xiàn)遠距離量子通信，可能需要衛(wèi)星。2004年底，我們團隊在地面實驗中驗證，量子狀態(tài)在穿越整個豎直大氣層后還能夠很好存活，證實了星地量子通信的可能性。此后，在中科院兩個知識創(chuàng)新工程重大項目的支持下，潘建偉團隊和中科院其他單位合作，開展了一系列的驗證實驗，充分驗證了星地量子通信的可行性。2011年，中科院正式立項量子科學實驗衛(wèi)星專項?！董h(huán)球科學》：“墨子”號發(fā)射后，將會承擔哪些研究工作？研究團隊有什么樣的分工？潘建偉：量子科學實驗衛(wèi)星工程將研制及發(fā)射1顆量子科學實驗衛(wèi)星，建設(shè)以4個量子通信地面站（北京興隆、烏魯木齊南山、青海德令哈、云南麗江）和1個空間量子隱形傳態(tài)實驗站（西藏阿里）為核心的空間量子科學實驗系統(tǒng)。量子衛(wèi)星發(fā)射入軌后將進行3個月左右的在軌測試，然后轉(zhuǎn)入在軌運行階段，將在首席科學家潘建偉的指揮下，完成一系列具有國際領(lǐng)先水平的科學實驗任務(wù)。主要科學目標為：進行星地高速量子密鑰分發(fā)實驗，并在此基礎(chǔ)上進行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；在空間尺度進行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。烏魯木齊南山站和北京興隆站與量子科學實驗衛(wèi)星配合，完成星地高速量子密鑰分發(fā)實驗和建立廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)演示實驗；量子科學實驗衛(wèi)星飛過烏魯木齊南山站與青海德令哈站，青海德令哈站與云南麗江站之間時，可在兩個地面站之間進行星地量子糾纏分發(fā)實驗。量子科學實驗衛(wèi)星飛過阿里量子隱形傳態(tài)站上空時，實驗站向量子科學實驗衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，完成星地量子隱形傳態(tài)實驗。量子科學實驗衛(wèi)星的研制集合了中科院系統(tǒng)的優(yōu)勢研究力量：中國科學技術(shù)大學負責科學應(yīng)用系統(tǒng)的研制，中國科學院上海微小衛(wèi)星工程中心抓總研制衛(wèi)星系統(tǒng)，中國科學院上海技術(shù)物理研究所聯(lián)合中國科學技術(shù)大學研制有效載荷系統(tǒng)，中國科學院國家空間科學中心擔任工程總體并牽頭負責地面支撐系統(tǒng)的研制、建設(shè)和運行?！董h(huán)球科學》：量子通信衛(wèi)星有4個重要單元：量子密鑰通信機、量子糾纏發(fā)射機、量子糾纏源、量子試驗控制與處理機，能否介紹一下這些單元以及其他部分的作用原理和功能？潘建偉：這4個單元其實就是量子衛(wèi)星的有效載荷。量子密鑰通信機實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)實驗的密鑰產(chǎn)生發(fā)射、量子隱形傳態(tài)信號接收探測、糾纏信號發(fā)射；量子糾纏源為星上糾纏光子對產(chǎn)生源頭，為糾纏分發(fā)實驗核心；量子發(fā)射機實現(xiàn)糾纏信號發(fā)射、量子密鑰分配實驗密鑰產(chǎn)生和發(fā)射；量子實驗控制與處理系統(tǒng)實現(xiàn)密鑰分發(fā)實驗的后端處理，最后提取最終密鑰，此外實現(xiàn)糾纏實驗和隱形傳輸實驗的數(shù)據(jù)分析處理。量子密鑰通信機和量子糾纏發(fā)射機是量子衛(wèi)星對地直接進行量子通信的設(shè)備，需要一些特別的技術(shù)。這其中最重要的就是與地面站的精確對準。衛(wèi)星的運動速度大約是每秒8公里，要和地面望遠鏡的光軸精確對準，用一個形象的比喻就是針尖對麥芒：衛(wèi)星的對準精度就好比在一萬米高空的飛機上，向地面扔一個一個硬幣，要準確投入儲蓄罐狹長的投幣口內(nèi)，而儲蓄罐還在慢慢旋轉(zhuǎn)中。另外，在量子糾纏分發(fā)實驗中，還需要同時和兩個地面站對準，難度就更加大，這要求衛(wèi)星的對準精度高于普通衛(wèi)星的10倍，實驗才能順利展開，這在國際上以往都未曾做到。除了有效載荷，衛(wèi)星平臺本身也是重要的單元，因為在所有實驗開始前都需要衛(wèi)星先和地面站初步對準，這就要求對衛(wèi)星平臺的姿態(tài)進行精確的控制?！董h(huán)球科學》：量子通信衛(wèi)星的外觀和普通衛(wèi)星有差別嗎？潘建偉：衛(wèi)星重量約600公斤，外觀上與通常的衛(wèi)星并無太大區(qū)別?！董h(huán)球科學》：未來，我們國家可能還會發(fā)射第二顆、第三顆量子通信衛(wèi)星，那么后面的衛(wèi)星是否與第一顆有些不同？后續(xù)的衛(wèi)星，目前有發(fā)射的時間表嗎？潘建偉：單顆量子衛(wèi)星無法直接覆蓋全球，而且目前的空間量子通信還只能在夜間（地影區(qū)）進行，白天強烈的日光背景會帶來很大的干擾。因此在未來還需要發(fā)射多顆衛(wèi)星來組成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，同時突破日光背景下進行量子通信的技術(shù)，從而實現(xiàn)全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。因此,未來發(fā)射的量子衛(wèi)星還需要衛(wèi)星之間的量子通信、全天時的量子通信，這是與現(xiàn)在這顆量子衛(wèi)星主要的不同之處。后續(xù)衛(wèi)星目前尚無發(fā)射的時間表，不過我國的未來的空間站項目將開展相關(guān)研究，首先驗證星間、全天時量子通信的可行性。《環(huán)球科學》：關(guān)于量子通信，我國是三步走的策略：一是通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)；二是通過量子中繼器實現(xiàn)城際量子通信網(wǎng)絡(luò)；三是通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(xiàn)可覆蓋全球的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。此次量子通信衛(wèi)星的發(fā)射是第三步的重要開端，那么前面兩步完成得如何？潘建偉：首先，城域量子通信網(wǎng)絡(luò)肯定是第一步，而后面的城際量子通信和衛(wèi)星量子通信是實現(xiàn)遠距禺量子通信的不同路線，是并行開展研究的，并非有先后的順序。目前我國在城域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面已處于國際領(lǐng)先，在城際量子通信方面也走在了世界前列，今年下半年，國際上首條千公里級光纖量子通信干線“京滬干線”將建成，將連接北京、濟南、合肥、一直到上海的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，并將在國防、政務(wù)和金融領(lǐng)域開展應(yīng)用。可以說，我國在量子通信方面，已全面處于國際領(lǐng)先地位?！董h(huán)球科學》：量子通信衛(wèi)星發(fā)射后，京滬干線也將完工，利用現(xiàn)有的量子通信網(wǎng)絡(luò)，可以做些什么？量子通信的應(yīng)用是保障通信的安全，在量子衛(wèi)星發(fā)射、京滬干線建成后，我國的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)就初具規(guī)模，可以在保障國防、政務(wù)、金融等領(lǐng)域的信息安全得以廣泛應(yīng)用?！董h(huán)球科學》：美國、歐洲也在開展量子通信計劃，能否介紹一下歐美的情況？和他們相比，中國在這一方面處于什么水平？美國和歐洲其實在量子通信方面的研究是較早的。2008年，歐盟啟動量子通信技術(shù)標準化研究，成立“基于量子密碼的安全通信”工程；美國國防部支持的“高級研發(fā)活動”計劃將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長距離光纖網(wǎng)絡(luò)；NASA也計劃在其總部和噴氣推進實驗室之間建立一個直線600公里、包含10個骨干節(jié)點的遠距離光纖量子通信干線，并計劃拓展到星地通信。2014年，全球最大的獨立科技研發(fā)機構(gòu)美國Battelle公司提出了商業(yè)化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，計劃建造環(huán)美國的萬公里量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，為谷歌、IBM、微軟、亞馬遜等公司的數(shù)據(jù)中心之間提供量子通信服務(wù)?？偟膩碚f，正如《自然》雜志所評論的，隨著量子衛(wèi)星的發(fā)射和京滬干線的建成，“中國的量子通信水平，已經(jīng)從十年前不起眼的國家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美”。然而，來自歐洲和美國的競爭仍然十分激烈，比如，2016年4月，歐盟委員會正式宣布啟動總額10億歐元的量子技術(shù)旗艦項目，目標是使歐洲在未來的量子信息革命中處于前沿位置，而英國政府早在2015年初就已先期配套約3億英鎊用于支持該旗艦項目的啟動；2016年5月，美國國家科學基金會（NSF）正式提出，將“下一代量子革命”作為未來重點支持的六大科研前沿之一。未來我國能否繼續(xù)保持領(lǐng)先，還需要國家的戰(zhàn)略布局和高強度支持?！董h(huán)球科學》：我國的計劃是在2030年建成全球化的量子通信，那么作為普通公眾，什么時候可以用到量子通信？全面實現(xiàn)量子通信，您認為大致會是在什么時候？潘建偉：目前的量子通信，由于范圍有限、成本較高，主要還是集中在國家信息安全方面的應(yīng)用。通過10到15年的努力，如果可以構(gòu)建一個覆蓋全國甚至是全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)，同時隨著應(yīng)用的深入，成本也會逐漸降低，到那時，普通大眾應(yīng)該也能廣泛享受到量子通信帶來的通信安全。比如，可以通過入戶的光纖，每家每戶都有一個量子密鑰機，手機里面也可以有一個量子加密芯片，這樣出門前在量子密鑰機給手機“充量子密鑰”，然后就可以用手機來進行安全的通話、上網(wǎng)、支付等等。請注意，量子通信并不是要取代傳統(tǒng)通信技術(shù)，反而是使傳統(tǒng)通信更加安全?！董h(huán)球科學》：從今天到2030年還有15年時間，在未來15年里，還將開展哪些重要的研究計劃和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)計劃？“十三五”期間國家將布局“量子通信與量子計算”重大科技項目，也會