衛(wèi)星與臺站建立星地鏈路

　　■本報記者 李晨陽

　　今年8月16日凌晨發(fā)射升空的“墨子號”量子衛(wèi)星，已經(jīng)遨游太空4個多月了，目前正處于在軌測試階段。與此同時，“京滬干線”廣域量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)工程即將全線開通，“武合干線”及武漢量子保密通信城域網(wǎng)也簽約開建。

　　隨著捷報頻頻傳來，世界上第一個天地一體化的量子通信網(wǎng)已然初具規(guī)模。而“量子”與“衛(wèi)星”的奇異組合也漸漸褪去神秘面紗，越來越被人們所熟知和了解。

　　量子聯(lián)網(wǎng)溝通天地

　　關(guān)注量子衛(wèi)星的人，一定都忘不了“墨子號”與地面四大臺站建立星地鏈路時那驚心動魄的一幕：綠色信標(biāo)光從衛(wèi)星上投下，紅色信標(biāo)光自地面站發(fā)出，在延時攝影曝光下，全世界都見證了雙方光束精準(zhǔn)對接的瑰麗畫面。那陣勢，仿佛中國古典傳說里，兩位絕世高手正在比拼內(nèi)力。

　　“在衛(wèi)星和地面站之間實現(xiàn)量子態(tài)的傳遞和測量，并且在此基礎(chǔ)上開展實驗，是‘墨子號’三大科學(xué)任務(wù)的一個共同特點。”量子衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師、中國科技大學(xué)研究員彭承志說，“這也是量子衛(wèi)星區(qū)別于其他衛(wèi)星的一個重要方面。”正是這一特點，賦予了量子衛(wèi)星通天接地、大開大合的氣勢。

　　所謂“墨子號”的三大科學(xué)任務(wù)，是指星地高速量子密鑰分發(fā)實驗、星地量子糾纏分發(fā)實驗和地星量子隱形傳態(tài)實驗。前者是為了實現(xiàn)更廣范圍乃至全球范圍的量子通信，后兩者則旨在宏大尺度上開展對量子理論本身的檢驗。

　　彭承志告訴《中國科學(xué)報》記者，為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，必須從兩大方面著手：其一是研制衛(wèi)星上的有效載荷——在量子衛(wèi)星堪稱嬌小的身體上，負(fù)載著4個與眾不同的裝置：能生成單個光量子的激光器、能制造成對糾纏態(tài)光量子的量子糾纏源，以及分別將單個光量子和糾纏態(tài)光量子發(fā)射至地面實驗站的量子密鑰通信機和量子糾纏發(fā)射機。

　　其二是在地面上打造能與衛(wèi)星良好互動的地面站，包括承擔(dān)量子密鑰分發(fā)實驗的北京興隆站和新疆南山站、負(fù)責(zé)量子糾纏態(tài)分發(fā)實驗的青海德令哈站和云南麗江站、進(jìn)行量子隱形傳態(tài)的西藏阿里站。

　　“衛(wèi)星、臺站，再加上量子京滬干線，共同形成了一個聯(lián)合空間大尺度的量子科學(xué)實驗室。”彭承志說。

　　量子干線串聯(lián)神州

　　量子京滬干線、量子武合干線……一條條看不見的高速公路正在延伸，如同穿針引線一般，將沿線各大城市串聯(lián)起來。即將在這些干線上風(fēng)馳電掣的，不是大小汽車，而是海量加密數(shù)據(jù)。

　　這些量子通信干線建成后，所經(jīng)之地的居民會感受到哪些變化？

　　“老百姓恐怕感覺不到什么。”京滬干線總工程師、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳宇翱笑道，“因為隨著量子通信的發(fā)展，信用卡盜刷、電信詐騙等問題會越來越少。放心多了、煩惱少了，就像身體沒病沒痛，大家當(dāng)然沒什么感覺啦。”

　　玩笑歸玩笑。量子干線開通后，勢必給傳統(tǒng)的銀行、證券、保險、數(shù)據(jù)中心等行業(yè)的信息安全帶來大幅提升，推動量子通信技術(shù)應(yīng)用深入各行各業(yè)，形成戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)。

　　例如最近入駐上海的中國電信量子保密通信產(chǎn)業(yè)化基地和即將啟動的跨上海城區(qū)量子保密通信城域骨干網(wǎng)，就將在金融、政務(wù)、大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域展露身手。

　　對科學(xué)家而言，量子干線不僅是極具應(yīng)用價值的安全數(shù)據(jù)通道，也是促進(jìn)基礎(chǔ)科研發(fā)展的大型裝置平臺。未來，科研人員會在上面做很多實驗，諸如時頻傳遞、干涉儀，測重力等基礎(chǔ)研究實驗。

　　陳宇翱說：“與常規(guī)實驗室相比，量子干線為一些需要遠(yuǎn)距離信號傳輸?shù)膶嶒炋峁┝似鯔C。比如，未來將會開通武漢到合肥的干線，武漢擁有全國目前最精準(zhǔn)的原子鐘，把武漢的時鐘信號傳到合肥，我們就可以將氦原子常數(shù)的測量數(shù)據(jù)再精確上好幾個數(shù)量級。這有助于將不同地方的科研優(yōu)勢整合起來，很多研究工作將會因此更進(jìn)一步。”

　　量子團隊抒寫傳奇

　　以中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉為首席科學(xué)家的量子研究團隊，是一支年輕隊伍。潘建偉、彭承志等“70后”和陳宇翱、張強、陸朝陽等“80后”組成了團隊的中堅力量。

　　彭承志說：“這是因為量子通信本就是一個年輕的領(lǐng)域。但我們的團隊里，也有很多傳統(tǒng)工程領(lǐng)域的年長學(xué)者。這樣，我們就形成了一個有傳承、有梯度的團隊。既有經(jīng)驗，也有闖勁；能出新東西，也不乏把控風(fēng)險的意識。”“越膽大，就越心細(xì)；越創(chuàng)新，就越嚴(yán)謹(jǐn)！”

　　就是這樣一支隊伍，在十多年間創(chuàng)造了諸多奇跡：2006年，他們在世界上首次實現(xiàn)了安全距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)實驗；2008年，在合肥市實現(xiàn)了國際上首個全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)；2009年，采用誘騙態(tài)方案的量子通信距離率先突破至200公里；2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”正式立項；2012年，他們在合肥市建成了世界上首個覆蓋整個城區(qū)的規(guī)模化量子通信網(wǎng)絡(luò)；2013年，成功開發(fā)了國際上迄今為止最先進(jìn)的室溫通信波段單光子探測器……

　　2016年，墨子升空，干線貫通，天地一體化戰(zhàn)略初具規(guī)模。相信在不遠(yuǎn)的將來，量子通信將徹底改變從國家到個人的信息安全狀況。

　　這些一次又一次抒寫傳奇的人們，并不喜歡一遍又一遍復(fù)述他們攻堅克難的往事。陳宇翱說：“我們一路走來，困難也很多。但你要讓我舉例，我舉不出來——那些都是已經(jīng)跨過去的坎兒了。”

　　量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院院士潘建偉：

　　未來量子密碼會進(jìn)入千家萬戶

　　經(jīng)過近20年的發(fā)展，量子通信技術(shù)已經(jīng)從實驗室演示走向產(chǎn)業(yè)化和實用化，目前正在朝著高速率、遠(yuǎn)距離、網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展。由于量子通信是事關(guān)國家信息安全和國防安全的戰(zhàn)略性領(lǐng)域，且有可能影響未來信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展格局，因此已經(jīng)成為世界主要發(fā)達(dá)國家優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略性科技領(lǐng)域。

　　值得欣慰的是，近年來，在中科院、科技部、基金委等部門以及有關(guān)國防部門的大力支持下，我國科學(xué)家在發(fā)展可實用量子通信技術(shù)方面開展了系統(tǒng)性的深入研究，在產(chǎn)業(yè)化預(yù)備方面一直處于國際領(lǐng)先水平。

　　未來，隨著量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)，作為保障未來信息社會通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，量子保密通信極有可能會進(jìn)入千家萬戶，服務(wù)于大眾，成為電子政務(wù)、電子商務(wù)、電子醫(yī)療、生物特征傳輸和智能傳輸系統(tǒng)等各種電子服務(wù)的驅(qū)動器，為當(dāng)今這個高度信息化的社會提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和最可靠的安全保障。

　    可以預(yù)期，在未來10年左右，有可能逐步形成一個“天地一體化”的量子保密通信基礎(chǔ)設(shè)施。在這一設(shè)施的支撐之下，就可以構(gòu)建具有高強度信息安全保障的未來互聯(lián)網(wǎng)，并且隨著應(yīng)用的不斷推廣，量子通信技術(shù)或許就會走進(jìn)千家萬戶。

　　同樣的，在約10年內(nèi)，專用量子計算機，即量子模擬機將有望成為現(xiàn)實，在處理某些特定問題的能力上可以超越目前的經(jīng)典超級計算機。但是具有實用價值的通用量子計算機的實現(xiàn)，可能還需20年、30年，甚至更長時間。但我相信，在我們這代人的有生之年里，應(yīng)該可以看到以量子通信為安全保障、以量子計算機為服務(wù)終端的全新未來互聯(lián)網(wǎng)的誕生。

　　（本報記者李晨陽采訪整理）

(責(zé)編：魏艷、趙竹青)