中國成功發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號” 首席科學(xué)家暢談背后的故事

極客網(wǎng)8月16日消息，據(jù)新華社甘肅酒泉8月16日電（記者吳晶晶、楊維漢、徐海濤），2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。這將使我國在世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實驗體系。

量子衛(wèi)星2011年12月立項，是中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項首批科學(xué)實驗衛(wèi)星之一。其主要科學(xué)目標(biāo)一是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；二是在空間尺度進行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗，在空間尺度驗證量子力學(xué)理論。

工程還建設(shè)了包括南山、德令哈、興隆、麗江4個量子通信地面站和阿里量子隱形傳態(tài)實驗站在內(nèi)的地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，與量子衛(wèi)星共同構(gòu)成天地一體化量子科學(xué)實驗系統(tǒng)。

據(jù)悉，本次任務(wù)還搭載發(fā)射了中科院研制的稀薄大氣科學(xué)實驗衛(wèi)星和西班牙科學(xué)實驗小衛(wèi)星。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。

量子衛(wèi)星工程由中科院國家空間科學(xué)中心抓總負(fù)責(zé)；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)負(fù)責(zé)科學(xué)目標(biāo)的提出和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的研制；中科院上海微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院抓總研制衛(wèi)星系統(tǒng)，中科院上海技術(shù)物理研究所聯(lián)合中科大研制有效載荷分系統(tǒng)；中科院國家空間科學(xué)中心牽頭負(fù)責(zé)地面支撐系統(tǒng)研制、建設(shè)和運行；對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心等單位參加。

據(jù)介紹，長征二號丁運載火箭由中國航天科技集團公司所屬上海航天技術(shù)研究院研制。此次發(fā)射是長征系列運載火箭的第234次飛行。

在“墨子號”發(fā)射升空后，科普中國、中國科普博覽、中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心聯(lián)合（出品：科普中國 制作：中國科普博覽 監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心）發(fā)出了中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長、量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉的專題訪問，講述了量子通信及“墨子號”背后的故事，以下是文章全文：

“墨子”升空 首席科學(xué)家談中國量子通信技術(shù)

千百年來，人類一直渴望實現(xiàn)絕對安全的通信，而量子通信技術(shù)就能夠非常完美的實現(xiàn)這一夢想。過去的十年里，“互聯(lián)網(wǎng)+”改變了我們的生活，而現(xiàn)在“量子+”正在改變互聯(lián)網(wǎng)。

作為世界頂尖的前沿科學(xué)技術(shù)，潘建偉院士和他的團隊在量子通信的研究道路上遭遇過怎樣不為人知的挫折？在歐美眾多實力強勁的國家中，潘建偉團隊為何選擇奧地利作為量子通信項目的合作伙伴？作為量子通信領(lǐng)域的技術(shù)強國，中國正從經(jīng)典信息技術(shù)的跟隨者，轉(zhuǎn)變成未來信息技術(shù)的并跑者乃至領(lǐng)跑者，而在此過程中我國量子通信技術(shù)的發(fā)展過程中又有著怎樣里程碑式的事件？

更多關(guān)于量子衛(wèi)星的最新獨家報道，我們邀請到了中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉進行了專題訪問。

尖端科技背后的故事

量子通信是基于量子力學(xué)基本原理的前沿技術(shù)。近年來，以潘建偉團隊為代表的中國科學(xué)家在量子通信領(lǐng)域取得了舉世矚目的重要科研成果，在尖端科技發(fā)展的過程中，我國科學(xué)家都經(jīng)歷了哪些不為人知的挫折和磨難？尖端科技的背后又隱藏著怎樣的技術(shù)難題？

潘建偉介紹說，在量子通信技術(shù)的研發(fā)過程中，單個光量子的制備和探測是主要的兩個技術(shù)難題。首先，制備單個光量子的技術(shù)難題。潘建偉舉了一個非常形象化的例子來解釋這一關(guān)鍵技術(shù)的難度：一個普通的十五瓦左右的燈泡每秒鐘輻射出的光量子個數(shù)可以達(dá)到百億億個，想要實現(xiàn)單個光量子的制備就如同在這百億億個光量子發(fā)射出來的瞬間捕捉到其中的某一個，技術(shù)難度可想而知。另一個難題是單光子的探測。單個光子已經(jīng)是光能量的最小單元，能量是非常微弱的，需要發(fā)展出非常精密和高效的單光子探測技術(shù)。具備了單個光量子的制備和探測的能力后，我們就可以用來實現(xiàn)安全的量子通信了。

量子信息的應(yīng)用除了實現(xiàn)無條件安全的通信外，還可以帶來計算能力的飛躍，這就需要第二種能力，把一個個的單量子糾纏起來。量子計算機的能力是隨著糾纏粒子數(shù)目呈指數(shù)增長的，比如有100個粒子的糾纏，每個粒子可以處于“0”和“1”的相干疊加，100個糾纏的粒子就可以同時處于2100個狀態(tài)的疊加，這就相當(dāng)于同時對2100個數(shù)進行操縱，計算能力就大大提升了。把一個個粒子糾纏起來需要對它們之間的相互作用進行精確的控制，同時還要保證克服環(huán)境的干擾。潘建偉團隊通過一種名為“光晶格”的實驗裝置來成功攻克了這一技術(shù)難題，而“光晶格”捕捉單個原子的技術(shù)原理就如同把雞蛋逐個放入蛋槽的過程，每個光晶格中只能容納一個原子，再人為控制這些原子的相互作用，使得它們糾纏起來。雖然現(xiàn)在的技術(shù)水平已經(jīng)發(fā)展到可以操縱數(shù)百個原子，但是想要實現(xiàn)數(shù)百個原子之間的量子糾纏態(tài)還有很長的路要走。潘建偉解釋說，如果能夠?qū)装賯€原子糾纏在一起，就可以演示量子計算機的基本功能了。

奧地利——夢開始的地方

據(jù)了解，此次“墨子號”量子通信衛(wèi)星包含了國際合作任務(wù)，并且選擇了奧地利作為首個國際合作伙伴。為何偏偏選擇奧地利？這還要從潘建偉的求學(xué)經(jīng)歷說起。

在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)習(xí)期間，潘建偉第一次領(lǐng)略到量子世界的奇妙。但隨著研究的深入，他越發(fā)意識到量子理論中的各種奇特現(xiàn)象需要更加尖端的實驗技術(shù)和條件才能夠得到驗證，而當(dāng)時國內(nèi)在這方面還相對落后。于是1996年潘建偉來到奧地利因斯布魯克大學(xué)，師從奧地利物理學(xué)家Anton Zeilinger攻讀博士學(xué)位。那時Anton Zeilinger教授已經(jīng)建立了量子實驗室，并且是量子物理學(xué)領(lǐng)域的國際權(quán)威。在這里，潘建偉和同事們完成了國際上首次實現(xiàn)光子的量子隱形傳態(tài)的實驗，這被認(rèn)為是量子信息實驗領(lǐng)域的開端。此后幾年內(nèi)，潘建偉和同事們又先后實現(xiàn)了一系列量子信息領(lǐng)域的先驅(qū)性實驗，這些寶貴的經(jīng)歷為以后潘建偉在量子通信領(lǐng)域的突破性貢獻奠定了堅實的基礎(chǔ)。潘建偉對奧地利的特殊感情還不止于此。潘建偉在奧地利求學(xué)期間，一直得到了奧地利外交部和學(xué)術(shù)交流機構(gòu)的資助。博士畢業(yè)后，潘建偉又繼續(xù)在維也納大學(xué)實驗物理所從事博士后研究，而維也納大學(xué)正是薛定諤等量子力學(xué)的奠基人工作過的地方，無疑是量子力學(xué)的“圣地”之一。

所以，當(dāng)昔日的老師主動提出加入到我國的量子衛(wèi)星計劃中來的請求后，順理成章地，奧地利就成了量子科學(xué)實驗衛(wèi)星項目的第一個國際合作伙伴。潘建偉提到，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星會向全世界開放，在奧地利之后，德國、意大利、加拿大等國的團隊也主動請求加入。

追尋量子通信發(fā)展的軌跡

潘建偉曾經(jīng)在接受采訪時談到，作為量子通信領(lǐng)域的技術(shù)強國，中國正從經(jīng)典信息技術(shù)的跟隨者，轉(zhuǎn)變成未來信息技術(shù)的并跑者乃至領(lǐng)跑者。回顧中國量子通信領(lǐng)域的發(fā)展歷程，成績的取得當(dāng)然離不開先輩科學(xué)家們孜孜不倦的奮斗與拼搏。

潘建偉表示，我國在量子通信領(lǐng)域的研究起步較早，在上世紀(jì)90年代初就有如郭光燦院士、張永德教授等老一輩科學(xué)家對該領(lǐng)域發(fā)展的密切關(guān)注，并且中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)已經(jīng)發(fā)表了一些該領(lǐng)域的文章。潘建偉強調(diào)說，中國量子通信領(lǐng)域之所以能夠發(fā)展到今天這一步，與當(dāng)時中科院與時俱進的敏銳眼光密切相關(guān)。比如，在他2001年回國組建實驗室時，一切都是從零開始。當(dāng)時向中科院申請了200萬經(jīng)費，而當(dāng)時的中科院基礎(chǔ)局卻撥了400萬。在中科院的重視和支持下，實驗室的發(fā)展速度非?？欤芸炀陀辛艘慌芍袊送瓿傻牧孔有畔㈩I(lǐng)域的重要成果。在那之后，從2004年起，中科院的支持力度又進一步加大。同時，國內(nèi)其他團隊也發(fā)展起來了。從2005年的時候，國家的重大研究計劃也開始注意到了量子調(diào)控，當(dāng)時在中科院物理所的于淥院士、南京大學(xué)的閔乃本院士等建議下，量子調(diào)控成為國家重大研究計劃的內(nèi)容，到目前這一計劃已經(jīng)執(zhí)行了十余年。正是由于國家的重點扶持，我國的量子通信技術(shù)才得以快速發(fā)展。近年來，中科院啟動量子衛(wèi)星項目，國家發(fā)改委啟動“京滬干線”項目，為量子通信技術(shù)實現(xiàn)跨越式的發(fā)展注入了長足的動力。但同時潘建偉也表示，歐美等國家也相繼啟動了包括量子通信在內(nèi)的量子專項計劃，政府也給予了大力支持，所以我國在未來能否持續(xù)搶占量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)跑地位，還需要不斷創(chuàng)新不斷前進。

量子通信是目前為止唯一被嚴(yán)格證明可提供無條件安全的保密通信手段。隨著我國發(fā)射全球第一顆量子實驗衛(wèi)星以及 “京滬干線”的建成，都將奠定中國在量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)跑地位。目前，在量子通信領(lǐng)域，無論是科學(xué)研究還是實際應(yīng)用，我國都已處于世界領(lǐng)先水平，我們也期待著，量子通信從理論到實驗再到實踐的完美蛻變。

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