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(yáng)史時(shí)間：2021.02.10創(chuàng)作：歐陽(yáng)史中國(guó)成功發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星2016年8月16日北京時(shí)間凌晨1時(shí)40分，全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子”號(hào)在中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，標(biāo)志著我國(guó)在量子通信領(lǐng)域全面領(lǐng)先于世界?！澳犹?hào)”量子通信衛(wèi)星發(fā)射期間，《環(huán)球科學(xué)》專訪中國(guó)量子通信領(lǐng)軍人物、空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃的首席科學(xué)家潘建偉院±,為讀者深度解讀“墨子號(hào)”?！董h(huán)球科學(xué)》：能否簡(jiǎn)單解釋一下什么是量子通信？潘建偉：這是目前唯一得到嚴(yán)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(jì)算的復(fù)雜，一旦擁有足夠強(qiáng)大的計(jì)算能力，所有依賴于計(jì)算復(fù)雜度的傳統(tǒng)加密算法原則上都會(huì)被破解。量子通信的安全性基于量子力學(xué)基本原理，單光子的不可分割性和量子態(tài)的不可復(fù)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(xué)是正確的，量子通信的安全性就嚴(yán)格得到保障，與計(jì)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(guó)在實(shí)用化城域量子通信技術(shù)方面處于國(guó)際領(lǐng)先，在合肥、濟(jì)南、上海、北京等地都建成或即將建成規(guī)?；某怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，并初步應(yīng)用于國(guó)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)的量子通信最多只能達(dá)到百公里量級(jí)。另一方面，由于大氣層對(duì)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(shí)現(xiàn)數(shù)千公里乃至全球化量子通信的有效手段?！董h(huán)球科學(xué)》：您是如何產(chǎn)生用衛(wèi)星來試驗(yàn)量子通信的想法，又經(jīng)過了哪些準(zhǔn)備工作？潘建偉：2003年起，在大多數(shù)同行仍致力于在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)量子通信的時(shí)候，我就想到為了真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信，可能需要衛(wèi)星。2004年底，我們團(tuán)隊(duì)在地面實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證，量子狀態(tài)在穿越整個(gè)豎直大氣層后還能夠很好存活，證實(shí)了星地量子通信的可能性。此后，在中科院兩個(gè)知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目的支持下，潘建偉團(tuán)隊(duì)和中科院其他單位合作，開展了一系列的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，充分驗(yàn)證了星地量子通信的可行性。2011年，中科院正式立項(xiàng)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星專項(xiàng)。《環(huán)球科學(xué)》：“墨子”號(hào)發(fā)射后，將會(huì)承擔(dān)哪些研究工作？研究團(tuán)隊(duì)有什么樣的分工？潘建偉：量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程將研制及發(fā)射1顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，建設(shè)以4個(gè)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(gè)空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站（西藏阿里）為核心的空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。量子衛(wèi)星發(fā)射入軌后將進(jìn)行3個(gè)月左右的在軌測(cè)試，然后轉(zhuǎn)入在軌運(yùn)行階段，將在首席科學(xué)家潘建偉的指揮下，完成一系列具有國(guó)際領(lǐng)先水平的科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。主要科學(xué)目標(biāo)為：進(jìn)行星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，以期在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破；在空間尺度進(jìn)行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。烏魯木齊南山站和北京興隆站與量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星配合，完成星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)和建立廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)演示實(shí)驗(yàn)；量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)，可在兩個(gè)地面站之間進(jìn)行星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星飛過阿里量子隱形傳態(tài)站上空時(shí)，實(shí)驗(yàn)站向量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，完成星地量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的研制集合了中科院系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)研究力量：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)負(fù)責(zé)科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的研制，中國(guó)科學(xué)院上海微小衛(wèi)星工程中心抓總研制衛(wèi)星系統(tǒng)，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所聯(lián)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制有效載荷系統(tǒng)，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心擔(dān)任工程總體并牽頭負(fù)責(zé)地面支撐系統(tǒng)的研制、建設(shè)和運(yùn)行。《環(huán)球科學(xué)》：量子通信衛(wèi)星有4個(gè)重要單元：量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源、量子試驗(yàn)控制與處理機(jī)，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(gè)單元其實(shí)就是量子衛(wèi)星的有效載荷。量子密鑰通信機(jī)實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)的密鑰產(chǎn)生發(fā)射、量子隱形傳態(tài)信號(hào)接收探測(cè)、糾纏信號(hào)發(fā)射；量子糾纏源為星上糾纏光子對(duì)產(chǎn)生源頭，為糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)核心；量子發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)糾纏信號(hào)發(fā)射、量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)密鑰產(chǎn)生和發(fā)射；量子實(shí)驗(yàn)控制與處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)的后端處理，最后提取最終密鑰，此外實(shí)現(xiàn)糾纏實(shí)驗(yàn)和隱形傳輸實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析處理。量子密鑰通信機(jī)和量子糾纏發(fā)射機(jī)是量子衛(wèi)星對(duì)地直接進(jìn)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(duì)準(zhǔn)。衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度大約是每秒8公里，要和地面望遠(yuǎn)鏡的光軸精確對(duì)準(zhǔn)，用一個(gè)形象的比喻就是針尖對(duì)麥芒：衛(wèi)星的對(duì)準(zhǔn)精度就好比在一萬(wàn)米高空的飛機(jī)上，向地面扔一個(gè)一個(gè)硬幣，要準(zhǔn)確投入儲(chǔ)蓄罐狹長(zhǎng)的投幣口內(nèi)，而儲(chǔ)蓄罐還在慢慢旋轉(zhuǎn)中。另外，在量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)中，還需要同時(shí)和兩個(gè)地面站對(duì)準(zhǔn)，難度就更加大，這要求衛(wèi)星的對(duì)準(zhǔn)精度高于普通衛(wèi)星的10倍，實(shí)驗(yàn)才能順利展開，這在國(guó)際上以往都未曾做到。除了有效載荷，衛(wèi)星平臺(tái)本身也是重要的單元，因?yàn)樵谒袑?shí)驗(yàn)開始前都需要衛(wèi)星先和地面站初步對(duì)準(zhǔn)，這就要求對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的姿態(tài)進(jìn)行精確的控制。《環(huán)球科學(xué)》：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(xué)》：未來，我們國(guó)家可能還會(huì)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(shí)間表嗎？潘建偉：?jiǎn)晤w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(jìn)行，白天強(qiáng)烈的日光背景會(huì)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(shí)突破日光背景下進(jìn)行量子通信的技術(shù)，從而實(shí)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(shí)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(shí)間表，不過我國(guó)的未來的空間站項(xiàng)目將開展相關(guān)研究，首先驗(yàn)證星間、全天時(shí)量子通信的可行性?！董h(huán)球科學(xué)》：關(guān)于量子通信，我國(guó)是三步走的策略：一是通過光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)；二是通過量子中繼器實(shí)現(xiàn)城際量子通信網(wǎng)絡(luò)；三是通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(guó)在城域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面已處于國(guó)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(guó)際上首條千公里級(jí)光纖量子通信干線“京滬干線”將建成，將連接北京、濟(jì)南、合肥、一直到上海的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，并將在國(guó)防、政務(wù)和金融領(lǐng)域開展應(yīng)用?？梢哉f，我國(guó)在量子通信方面，已全面處于國(guó)際領(lǐng)先地位?！董h(huán)球科學(xué)》：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(guó)的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)就初具規(guī)模，可以在保障國(guó)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(xué)》：美國(guó)、歐洲也在開展量子通信計(jì)劃，能否介紹一下歐美的情況？和他們相比，中國(guó)在這一方面處于什么水平？美國(guó)和歐洲其實(shí)在量子通信方面的研究是較早的。2008年，歐盟啟動(dòng)量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究，成立“基于量子密碼的安全通信”工程；美國(guó)國(guó)防部支持的“高級(jí)研發(fā)活動(dòng)”計(jì)劃將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)；NASA也計(jì)劃在其總部和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之間建立一個(gè)直線600公里、包含10個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線，并計(jì)劃拓展到星地通信。2014年，全球最大的獨(dú)立科技研發(fā)機(jī)構(gòu)美國(guó)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(jì)劃建造環(huán)美國(guó)的萬(wàn)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(píng)論的，隨著量子衛(wèi)星的發(fā)射和京滬干線的建成，“中國(guó)的量子通信水平，已經(jīng)從十年前不起眼的國(guó)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(guó)的競(jìng)爭(zhēng)仍然十分激烈，比如，2016年4月，歐盟委員會(huì)正式宣布啟動(dòng)總額10億歐元的量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目，目標(biāo)是使歐洲在未來的量子信息革命中處于前沿位置，而英國(guó)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(xiàng)目的啟動(dòng)；2016年5月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）正式提出，將“下一代量子革命”作為未來重點(diǎn)支持的六大科研前沿之一。未來我國(guó)能否繼續(xù)保持領(lǐng)先，還需要國(guó)家的戰(zhàn)略布局和高強(qiáng)度支持?！董h(huán)球科學(xué)》：我國(guó)的計(jì)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(shí)候可以用到量子通信？全面實(shí)現(xiàn)量子通信，您認(rèn)為大致會(huì)是在什么時(shí)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(guó)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(gè)覆蓋全國(guó)甚至是全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)隨著應(yīng)用的深入，成本也會(huì)逐漸降低，到那時(shí)，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(gè)量子密鑰機(jī)，手機(jī)里面也可以有一個(gè)量子加密芯片，這樣出門前在量子密鑰機(jī)給手機(jī)“充量子密鑰”，然后就可以用手機(jī)來進(jìn)行安全的通話、上網(wǎng)、支付等等。請(qǐng)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(xué)》：從今天到2030年還有15年時(shí)間，在未來15年里，還將開展哪些重要的研究計(jì)劃和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)計(jì)劃？“十三五”期間國(guó)家將布局“量子通信與量子計(jì)算”重大科技項(xiàng)目，也會(huì)