近日，中國科學技術大學的潘建偉團隊在中國科學院空間科學戰略性先導科技專項的支持下，利用“墨子號”量子科學實驗衛星，在國際上首次成功實現了從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態。

　　近日，中國科學技術大學的潘建偉團隊利用“墨子號”量子科學實驗衛星，在國際上首次成功實現了從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態,實現了太陽光背景下的自由空間量子密鑰分發，為未來覆蓋全球的量子衛星網絡“量子星座”奠定了可靠的技術基礎。兩項成果于北京時間8月10日凌晨1點同時在線發表在國際權威學術期刊《自然》雜志上。至此，“墨子號”量子衛星提前并圓滿實現全部三大既定科學目標。

　　隨著“墨子號”量子科學實驗衛星的成功發射和運行，量子通信技術已經進入到了衛星時代。

　　一.衛星量子通信的特點：

　　量子通信通常采用單光子作為物理載體，單光子是光的最小能量單元，對其而言，最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離的增加而指數增加。由于量子不可克隆原理，單光子量子信息不能像經典通信那樣被放大，這使得之前量子通信的世界?紀錄為百公里量級。根據數據測算，通過1200公里的光纖，即使有每秒百億發射率的單光子源和完美的探測器，也需要數百萬年才能建立一個比特的密鑰。因此，如何實現安全、長距離、可實用化的量子通信是該領域的最大挑戰和國際學術界幾十年來奮斗的共同目標。

　　由于單光子對背景光極其敏感，墨子號采取了只在夜間工作的模式，以避開白天強太陽光背景的干擾，然而為了能夠建立覆蓋全球的衛星量子通信網絡，必須研制高軌量子通信衛星。單顆高軌衛星能夠同時覆蓋整個國土，過站時間可以達到幾個小時。由若干顆高軌衛星和地軌衛星組成一個“量子星座”，才可以全天24小時覆蓋整個地球。但是“量子星座”就必須再次面對第一個問題，即太陽光背景。如圖1所示，越高軌的衛星在太陽光范圍內的比例越高，即在地影區（黑夜）的比例越小。表1給出了低軌衛星、中軌衛星、高軌衛星各自在地影區的比例。對地球同步軌道來說，只有0.57%的概率會在地影區。因此我們要求“量子星座”必需能夠在太陽光背景下工作，即盡可能地排除太陽光對探測端的影響。為了解決這個問題，我們首先要改變量子通信使用的光子的波長。傳統自由空間量子通信（包括墨子號）使用的光子波長集中在800nm附近。如果我們選取1550nm，這個波長太陽光的輻射強度只有800nm的1/3左右；根據瑞利散射定律的波長四次方反比關系，1550nm光子的大氣散射只有800nm光子的7%；同時1550nm作為光通信波長，可以和地面的量子通信網絡自然對接。總的下來，太陽光在1550nm產生的背景噪聲約只有800nm的3%，通過單模光纖接收技術還可以進一步降低太陽光背景噪聲。

　　但1550nm帶來了另一個技術問題，就是光子的探測效率。常用的半導體單光子探測器在800nm附近效率很高，但是到了1550nm效率急劇下降，無法使用。于是我們發展了一套“上轉換探測器”技術，即首先利用晶體對光子的頻率上轉換效益，將需要探測的1550nm波長光子以很高的效率轉換為800nm附近波長的光子，再用半導體單光子探測器來探測，從而解決對1550nm光子的探測問題。

　　潘建偉團隊通過以上1550nm光子源、太陽光背景下單光子接收、單光子上轉換探測器三大技術突破，在國際上首次實現了太陽光背景下的自由空間量子密鑰分發。通信距離橫跨青海湖，達到53km，高于大氣層的垂直厚度。信道衰減也模擬了高軌衛星到地面的衰減（48dB）。因此這個實驗全方位驗證了利用高軌衛星在太陽光背景下進行星地量子通信的可行性。

　　值得一提的是，該青海湖實驗基地也曾為“墨子號”量子科學實驗衛星做過全方位的地面驗證。綜上，我們有理由認為這個在青海湖的白天量子通信實驗是走向太陽光背景下衛星量子通信的第一步，也將為未來覆蓋全球的量子通信衛星網絡——“量子星座”提供可靠的技術基礎。

　　利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點，通過衛星的輔助可以大大擴展量子通信距離。同時，由于衛星具有方便覆蓋整個地球的獨特優勢，是在全球尺度上實現超遠距離實用化量子密碼和量子隱形傳態最有希望的途徑。從本世紀初以來，該方向已成為了國際學術界激烈角逐的焦點。

　　二.衛星量子通信的實驗

　　潘建偉團隊為實現星地量子通信開展了一系列先驅性的實驗研究。2003年，潘建偉團隊提出了利用衛星實現星地間量子通信、構建覆蓋全球量子保密通信網的方案，隨后于2004年在國際上首次實現了水平距離13公里（大于大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發，驗證了穿過大氣層進行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰略性先導科技專項“量子科學實驗衛星”正式立項。2012年，潘建偉領銜的中科院聯合研究團隊在青海湖實現了首個百公里的雙向量子糾纏分發和量子隱形傳態，充分驗證了利用衛星實現量子通信的可行性。2013年，中科院聯合研究團隊在青海湖實現了模擬星地相對運動和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發實驗，全方位驗證了衛星到地面的量子密鑰分發的可行性。隨后，該團隊經過艱苦攻關，克服種種困難，最終成功研制了“墨子號”量子科學實驗衛星。“墨子號”衛星于2016年8月16日在酒泉衛星發射中心發射升空，經過四個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學實驗。

　　三.衛星量子通信的研究內容

　　量子通信的研究內容之一是量子密鑰分發。通信安全是國家信息安全和人類經濟社會生活的基本需求。千百年來，人們對于通信安全的追求從未停止。然而，基于計算復雜性的傳統加密技術，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數學和計算能力的不斷提升，經典密碼被破譯的可能性與日俱增。

　　量子力學擁有著另一個怪現象：測量疊加態的結果完全拼概率。這種現象被玻爾稱為“上帝擲骰子”。與傳統通訊不同，量子密鑰分發通過量子態的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。

　　量子通信的另一重要內容是量子隱形傳態，它利用量子糾纏可以將物質的未知量子態精確傳送到遙遠地點，而不用傳送物質本身。遠距離量子隱形傳態是實現分布式量子信息處理網絡的基本單元。

　　四.衛星量子通信的科學目標

　　星地高速量子密鑰分發是“墨子號”量子衛星的科學目標之一。量子密鑰分發實驗采用衛星發射量子信號，地面接收的方式，“墨子號”量子衛星過境時，與河北興隆地面光學站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。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個數量級（萬億億倍）。衛星上量子誘騙態光源平均每秒發送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300 kbit的安全密鑰，平均成碼率可達1.1 kbps。

　　這一重要成果為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了可靠的技術基礎。以星地量子密鑰分發為基礎，將衛星作為可信中繼，可以實現地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發范圍擴展到覆蓋全球。

　　此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網（如合肥量子通信網、濟南量子通信網、京滬干線）互聯，可以構建覆蓋全球的天地一體化保密通信網絡。

　　為此，《自然》雜志的審稿人稱贊星地量子密鑰分發成果是?“令人欽佩的成就”（“an impressive achievement”）和“本領域的一個里程碑”（“it constitutes a milestone in the field”），并斷言“毫無疑問將引起量子信息、空間科學等領域的科學家和普通大眾的高度興趣，并導致公眾媒體極為廣泛的報道”（“I have no doubt that it will attract the interest of scientists working in a variety of fields (including quantum information science and space science), the general public, and lead to very extensive media coverage”）。

　　地星量子隱形傳態是“墨子號”量子衛星的另一個科學目標。量子隱形傳態采用地面發射糾纏光子、天上接收的方式， “墨子號”量子衛星過境時，與海拔5100m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產生8000個量子隱形傳態事例，地面向衛星發射糾纏光子，實驗通信距離從500公里到1400公里，所有6個待傳送態均以大于99.7%的置信度超越經典極限。假設在同樣長度的光纖中重復這一工作，需要3800億年（宇宙年齡的20倍）才能觀測到1個事例。這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網絡研究，以及空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎。

　　《自然》雜志審稿人稱贊“這些結果代表了遠距離量子通信持續探索中的重大突破”（“These results represent an important breakthrough in the quest for quantum communications over long distances”）, “這個目標非常新穎并極具挑戰性，它代表了量子通信方案現實實現中的重大進步”（“This goal is very challenging and new, and it represent a significant advancement of the realization of quantum communications schemes.”）。

　　文章的預印本在學術網站arXiv.org上公開后就受到國際科學媒體廣泛關注，比如，自然新聞（Nature news）以“Quantum teleportation is even weirder than you think（量子隱形傳態超乎想象的神秘）”為題進行了報道，BBC新聞分別以“First object teleported to Earth's orbit”和“Teleportation: Photon particles today, humans tomorrow?”為題進行了連續報道，英國《衛報》也以“Beam me up, Scotty! Scientists teleport photons into space”為題進行了相關報道，等等。

　　“墨子號”量子衛星全部三大既定科學目標的成功實現，為我國在未來繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。