“墨子号”量子卫星圆满实现全部既定科学目标

　　中国科技大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队，联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、南京天文仪器有限公司、国家空间科学中心等，在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下， “墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。两项成果于2017年8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。这是继先前在国际上率先实现千公里级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验之后（研究成果发表在《科学》杂志[Science 356,1140(2017)]），我国科学家利用“墨子号”量子卫星实现的空间量子物理研究另外两项重大突破。至此，“墨子号”量子卫星提前并圆满实现全部三大既定科学目标。 

　　中国科学院上海技术物理研究所是“墨子号”量子卫星的有效载荷总体研制单位。研究团队围绕建立低损耗、高可靠的星地量子通信链路等技术难题，经过多年攻关，先后突破了星地光路高精度捕获、跟踪与瞄准技术，复杂光机系统高保真偏振调控技术，近衍射极限量子光发射以及高效单光子探测等多项关键技术。为量子卫星研制了“量子密钥通信机”、“量子纠缠发射机”两个主载荷，并参与了另两个重要载荷“量子纠缠源”和“量子实验控制与处理系统”的研制工作。发射后在轨表现性能优良，保障了量子卫星核心指标的实现和星地量子通信实验的顺利进行。量子密钥通信机能实现微弧度精度的对地面站跟踪指向，具备量子密钥信号产生与发射功能，量子纠缠信号发射功能，同时具备量子隐形传态单光子接收探测功能。量子纠缠发射机可以实现大范围的对地自主高精度跟踪，与量子密钥通信机配合将量子纠缠光子对同时发送给两个地面站，开展星地量子纠缠分发实验。 

　　量子通信通常采用单光子作为物理载体，最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输。但是，这两种信道的损耗都随着距离的增加而指数增加。由于量子不可克隆原理，量子通信的信号不能像经典通信那样被放大，这使得之前量子通信的世界纪录为百公里量级。根据数据测算，通过1200公里的光纤，即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器，也需要数百万年才能建立一个比特的密钥。因此，如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信是该领域的最大挑战和国际学术界几十年来奋斗的共同目标。利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点，通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信距离。同时，由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势，是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码和量子隐形传态最有希望的途径。从本世纪初以来，该方向已成为了国际学术界激烈角逐的焦点。 

　　2011年底，中科院战略性先导科学专项“量子科学实验卫星”正式立项，中国科学技术大学潘建伟教授作为首席科学家。多个单位的研究团队经过艰苦攻关，克服种种困难，最终成功研制了“墨子号”量子科学实验卫星，并于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空，经过四个月的在轨测试，2017年1月18日正式交付开展科学实验。 

　　星地高速量子密钥分发是“墨子号”量子卫星的科学目标之一。量子密钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号，地面接收方式。“墨子号”量子卫星过境时，与河北兴隆地面光学站建立光链路，通信距离从645公里到1200公里。在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级（万亿亿倍）。卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子，一次过轨对接实验可生成300kbit的安全密钥，平均成码率可达1.1kbps。这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。此外，将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网（如京沪干线）互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。为此，《自然》杂志的审稿人称赞星地量子密钥分发成果是“令人钦佩的成就”和“本领域的一个里程碑”，并断言“毫无疑问将引起量子信息、空间科学等领域的科学家和普通大众的高度兴趣，并导致公众媒体极为广泛的报道”。 

　　地星量子隐形传态是“墨子号”量子卫星的科学目标之一。它利用量子纠缠可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送物质本身。量子隐形传态采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式。“墨子号”量子卫星过境时，与海拔5100m的西藏阿里地面站建立光链路。地面光源每秒产生8000个量子隐形传态事例，地面向卫星发射纠缠光子，实验通信距离从500公里到1400公里，所有60个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限。假设在同样长度的光纤中重复这一工作，需要3800亿年（宇宙年龄的20倍）才能观测到1个事例。这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究，以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。《自然》杂志审稿人称赞“这些结果代表了远距离量子通信持续探索中的重大突破”，“这个目标非常新颖并极具挑战性，它代表了量子通信方案现实实现中的重大进步”。 

　　“墨子号”量子卫星全部三大既定科学目标的成功实现，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。