墨子號(hào)：樹起量子通信中國標(biāo)桿

吳長鋒

近日，美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)宣布，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星科研團(tuán)隊(duì)被授予2018年度克利夫蘭獎(jiǎng)，以表彰該團(tuán)隊(duì)通過實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)，為推動(dòng)大尺度量子通信實(shí)驗(yàn)研究做出的卓越貢獻(xiàn)。這是該獎(jiǎng)設(shè)立九十余年來，中國科學(xué)家在本土完成的科研成果首次獲得這一重要榮譽(yù)。而幾個(gè)月前，2018年12月17日，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星完成的洲際量子密鑰分發(fā)研究成果，還被列入美國物理學(xué)會(huì)2018年度國際物理學(xué)領(lǐng)域的十項(xiàng)重大進(jìn)展。

圓滿實(shí)現(xiàn)三大科學(xué)目標(biāo)

“‘墨子號(hào)量子衛(wèi)星圓滿實(shí)現(xiàn)預(yù)定的全部三大科學(xué)目標(biāo)，為我國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗(yàn)前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授告訴筆者。

由于量子不可克隆原理，量子通信的信號(hào)不能像經(jīng)典通信那樣被放大，又由于光纖信道的固有衰減，量子通信的距離受到很大限制。利用外太空幾乎真空因而光信號(hào)損耗非常小的特點(diǎn)，通過衛(wèi)星輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離。潘建偉團(tuán)隊(duì)為實(shí)現(xiàn)星地量子通信開展了一系列先驅(qū)性的實(shí)驗(yàn)研究?！澳犹?hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，2017年1月18日正式開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

星地高速量子密鑰分發(fā)是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一?！澳犹?hào)”量子衛(wèi)星與河北興隆地面光學(xué)站建立了光鏈路，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個(gè)數(shù)量級(jí)（萬億億倍）。

實(shí)現(xiàn)地星量子隱形傳態(tài)是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的又一科學(xué)目標(biāo)。量子隱形傳態(tài)可利用量子糾纏將粒子的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送粒子本身?！澳犹?hào)”量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式。衛(wèi)星過境時(shí)與海拔5100米的西藏阿里地面站建立光鏈路，地面光源每秒產(chǎn)生8000個(gè)量子隱形傳態(tài)事例，向“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，實(shí)驗(yàn)通信距離從500公里到1400公里，所有6個(gè)待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。

量子糾纏被愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”，也是量子力學(xué)最神奇的現(xiàn)象之一。由于量子糾纏非常脆弱，以往的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)只停留在百公里的距離。這種“鬼魅般的超距作用”在更遠(yuǎn)的距離上是否仍然存在？會(huì)不會(huì)受到引力等其他因素的影響？作為衛(wèi)星的三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)之一，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星在國際上首次在空間尺度上開展了量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。

“墨子號(hào)”衛(wèi)星上的糾纏源載荷每秒產(chǎn)生800萬個(gè)糾纏光子對(duì)，可以每秒1對(duì)的速度在地面超過1200公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏，量子糾纏的傳輸衰減僅是地面光纖的一萬億分之一。

開啟全球量子通信時(shí)代

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星取得的一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)成果，在獲得國際上盛大贊譽(yù)與好評(píng)的同時(shí)，也開啟了全球化量子通信時(shí)代之門。

星地量子密鑰分發(fā)的實(shí)現(xiàn)，為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。以此為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)展到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網(wǎng)互聯(lián)，可以構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò)。

星地量子糾纏分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)的實(shí)現(xiàn)，使人們可以利用量子糾纏所建立起的量子信道，構(gòu)建起量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元，同時(shí)也為未來開展大尺度量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信實(shí)驗(yàn)研究，以及開展外太空廣義相對(duì)論、量子引力等物理學(xué)基本原理的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

而在“墨子號(hào)”三大預(yù)定科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)完成之后，2018年初，通過與奧地利科學(xué)院的國際合作，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)了北京和維也納之間相距約7600公里的洲際量子保密通信。這一成果也被美國物理學(xué)會(huì)評(píng)選為2018年度國際物理學(xué)十大進(jìn)展之一。

2018年，素有著諾貝爾獎(jiǎng)風(fēng)向標(biāo)之稱的“沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)”在獲獎(jiǎng)?wù)呓榻B中專門提到：“量子密鑰分發(fā)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，在光纖中已經(jīng)能做到幾百公里，用衛(wèi)星可以做到上千公里”。而這兩個(gè)紀(jì)錄正是潘建偉團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的，一個(gè)是光纖量子密鑰分發(fā)最遠(yuǎn)安全距離做到404公里，另一個(gè)就是“墨子號(hào)”做到的星地1200公里，這是中國科學(xué)家的貢獻(xiàn)，也是中國量子通信領(lǐng)先世界的標(biāo)志。

“量子通信利用量子力學(xué)原理對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控，可以完成經(jīng)典通信所不能完成的任務(wù)?！迸私▊フf，量子密鑰分發(fā)可以實(shí)現(xiàn)無條件安全的密鑰分發(fā)，就算竊聽者有全宇宙最強(qiáng)的計(jì)算機(jī)，哪怕是量子計(jì)算機(jī)，也不能破解加密后的信息。使用量子密鑰分發(fā)技術(shù)可以幫助實(shí)現(xiàn)通信安全中機(jī)密性、真實(shí)性和不可否認(rèn)性的無條件安全，也就是說，保證通信加密無法破譯，保證對(duì)方身份真實(shí)可靠，保證信息無法被篡改。

標(biāo)準(zhǔn)化是產(chǎn)業(yè)成熟發(fā)展基石

2013年，我國啟動(dòng)量子保密通信京滬干線工程建設(shè)，目前除了按計(jì)劃接入的金融用戶外，電力系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)也正在接入，央行已經(jīng)在制定金融領(lǐng)域接入使用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

幾乎同時(shí)，世界主要的發(fā)達(dá)國家都已經(jīng)或正在加緊實(shí)施遠(yuǎn)距離量子通信干線工程。意大利量子通信骨干網(wǎng)用戶囊括了意大利國家計(jì)量研究院、歐洲非線性光譜實(shí)驗(yàn)室等多家研究機(jī)構(gòu)和公司;英國正在建設(shè)英國國家量子通信測(cè)試網(wǎng)絡(luò);俄羅斯量子中心建成了專用于傳遞真實(shí)金融數(shù)據(jù)的實(shí)用量子通信線路;韓國第一階段環(huán)首爾地區(qū)的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，除為公共行政事務(wù)、警察和郵政等領(lǐng)域服務(wù)外，正在向國防和金融領(lǐng)域拓展……

“京滬干線將帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，特別是在核心元器件國產(chǎn)化和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定方面?！迸私▊フf，當(dāng)前率先實(shí)用化的量子保密通信技術(shù)（或稱量子密鑰分發(fā)，QKD）正在蓬勃發(fā)展，取得了長足的進(jìn)步，但要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)QKD從實(shí)用化到產(chǎn)業(yè)化規(guī)模應(yīng)用，還面臨著不少挑戰(zhàn)。其中，標(biāo)準(zhǔn)化是關(guān)鍵一步，是未來產(chǎn)業(yè)成熟發(fā)展的基石。

目前，我國正全力推進(jìn)QKD標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)工作。2017年6月，工信部中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）成立量子通信與信息技術(shù)特設(shè)組，已有44家會(huì)員單位，正在圍繞量子保密通信標(biāo)準(zhǔn)體系的術(shù)語、應(yīng)用場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、技術(shù)要求、測(cè)試方法、應(yīng)用接口等內(nèi)容編制有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。另外，我國專家在ISO/IEC國際標(biāo)準(zhǔn)化組織啟動(dòng)了QKD的全球首個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，正式開啟了QKD的國際標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

“與任何一項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展一樣，量子通信技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展也需要實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用示范?！睂?duì)于工程化和實(shí)用化，潘建偉一直秉持這樣的觀點(diǎn)，一方面要謹(jǐn)慎論證，另一方面也要積極部署，因?yàn)橛袘?yīng)用才有進(jìn)步、才有未來。