量子科學實驗衛星的正樣星。 中國科學院供圖

 

日前，我國成功發射世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”（以下簡稱量子衛星），將在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，構建一個天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。

量子衛星的成功發射，不僅具有重要的科學意義和實用價值，還將推動我國在量子太空國際競賽中掌握主動權，在第二次量子革命中由跟跑者向領跑者轉變。

在空間尺度檢驗量子力學，有望催生基礎科學前沿領域的突破進展

量子是物理世界里最小的基本個體。它具有神奇的特性：首先有多個可能狀態的疊加態，只有在被觀測或測量時，才會隨機地呈現出某種確定的狀態。“這就好比孫悟空的分身術”，量子衛星首席科學家、中科院院士潘建偉解釋道。

其次，量子具有糾纏態，意味著兩個糾纏在一起的量子就像有心電感應的雙胞胎，不管兩個人的距離有多遠，當哥哥的狀態發生變化時，弟弟的狀態也跟著發生一樣的變化。

隨著這些特性被科學家不斷認識，適用于實際應用的量子通信技術被開拓出來。量子通信分為兩種，一種是量子保密通信，能實現無條件安全的通信方式，再也不會被竊聽和破譯；另一種是量子隱形傳態，能將粒子的未知量子態精確傳送到遙遠地點而不用傳送粒子本身。“就像筋斗云一樣，實現瞬間傳輸。”這次量子衛星發射，就是主要開展星地高速量子密鑰分發和地星量子隱形傳態等實驗。

“以量子信息為代表的量子調控，帶來了第二次量子革命。”潘建偉認為，人類從單純觀察量子走向主動調控量子，這是一次巨大的飛躍。“中國成功發射量子科學實驗衛星，具有里程碑意義，這將建立有史以來最大的天地一體化量子實驗室，真正實現星地之間的廣域量子調控。”

“過去人們只看到量子現象，卻不了解其背后的規律。”潘建偉說，科學家們起初只是對量子進行被動觀測，發現了有用的現象，就拿來應用試一試，通過這種方式，量子力學已經給人類帶來了核能、半導體等重大發明，這可以稱作“第一次量子革命。”隨著認識加深和技術進步，人們開始嘗試主動調控量子的奇異性質，開拓出適用于經典世界的新技術。“把一粒粒微觀粒子抓住，在微觀層面按照需求進行精確的組裝和調控，這是新的飛躍。量子調控和量子信息技術的迅猛發展標志著第二次量子革命的興起。”

作為人類認知自然最重要和最直接的手段之一，科學衛星能促使人類在基礎科學方面產出重大原創性成果。

“繼暗物質粒子探測衛星‘悟空’和微重力科學實驗衛星‘實踐十號’之后，作為我國空間科學戰略性先導專項的第三顆科學衛星，量子衛星將促進基礎科學前沿領域的突破進展。”中國科學院國家空間科學中心主任、空間科學先導專項科學衛星工程常務副總指揮吳季說。

“此次發射，能夠幫助科學家在空間尺度檢驗量子力學的正確性。”潘建偉介紹，量子力學理論是描述微觀世界的理論，在宏觀尺度上能否成立，還需要實驗上來論證。“如果能夠實現光量子糾纏超遠距離的分發，就可能對未來量子引力的模型進行檢驗。”

曾有人問他：既然認為量子力學是正確的，為什么還要大尺度遠距離地去檢驗它？“因為只有進入新的領域，才能發現新的科學。”潘建偉這樣回答。

“就以量子光學為例，一旦通過量子科學實驗衛星使量子態、量子關聯以及量子糾纏等理論得到驗證，那么其對量子光學的理論計算和實驗設計都會起到指導作用。”北京計算科學研究中心教授、中科院院士朱詩堯認為。

“如果經過證明，這條衛星發射的技術路線正確，國外團隊就都會開始從太空來開展量子實驗，這將推動整個學科的發展，這就是引領的作用。”潘建偉說。

“也正因為這樣，國外團隊相繼加入到與我們的國際合作中來，中國吸引了更多優質的國際資源。”據潘建偉介紹，中國科學院已經與奧地利科學院簽署合作協議，共同致力于在量子科學實驗衛星框架中合作開展洲際量子通信實驗。“其目標是實現北京和維也納之間的量子保密通信。”此外，與德國團隊也進行了相關合作，致力于量子通信探索。

大國在量子通信領域激烈競爭，起步并非最早的中國實現了“彎道超車”

量子通信事關國家信息和國防安全，這個戰略性領域已經成為發達國家和地區優先發展的信息科技和產業高地——

美國對量子通信的理論和實驗研究開始較早，并最先將其列入國家戰略。美國國防部支持的“高級研究與發展活動”計劃將量子通信應用拓展到衛星通信、城域以及長距離光纖網絡；美國國家航空航天局也正計劃在其總部與噴氣推進實驗室之間建立一個直線距離600公里、光纖皮長1000公里左右的包含10個骨干節點的遠距離光纖量子通信干線，并計劃拓展到星地量子通信。

歐盟著眼于合力構建量子互聯網，2008 年發布的《量子信息處理與通信戰略報告》明確了歐洲在未來5年和10年的量子通信發展目標。歐盟還啟動了量子通信技術標準化研究，并成立“基于量子密碼的安全通信”工程，這是繼歐洲核子中心和國際空間站后又一大規模的國際科技合作。

日本也不甘落后，制定了量子信息技術長期發展路線圖。日本國立信息通信研究院計劃在2020 年實現量子中繼，到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網絡。

雖然在全球量子通信競賽中，中國起步并非最早，但是在科學家們的不懈努力下，目前中國在量子通信領域已經實現了“彎道超車”。

潘建偉團隊在2007年首次實現安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發；2008年實現國際上首個全通型量子通信網絡；2012年建成首個規模化的城域量子通信網絡；2016年中國發射全球首顆量子科學實驗衛星……很多個“世界首次”，均來自于“中國隊”。

“這標志著中國在量子通信領域的崛起，從10年前不起眼的國家發展為現在的世界勁旅，將領先于歐洲和北美……”《自然》雜志在報道該團隊研究成果時表示。

當被問及為何能夠先于歐美國家發射首顆量子衛星時，潘建偉坦言，當大多數同行仍致力于實驗室的原理性演示時，他們的團隊已經開始思考如何能在太空實現量子信息傳輸，著手了一系列星地量子通信的地面驗證實驗，為星地量子通信奠定了堅實基礎。

潘建偉表示，這也得益于國家的大力支持。“中國‘大科學’項目建設非常高效。一方面，國家的高強度支持使得包括我們團隊在內的優秀科研團隊快速推進量子信息研究的發展；另一方面，在衛星量子通信方向上出現重大突破跡象時，中科院快速做出前瞻性決策，得以在國際上率先啟動衛星項目。”

希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通信網絡，并在量子計算領域有所作為

“到底為何會有量子糾纏的特性，我們還是不清楚。對量子力學的理解，我們仍停留在粗淺的表面。”潘建偉說，未來5年他最想做的是，首先從更遠距離和更大尺度檢驗量子力學并發現新的科學。同時，堅持利用發現的規律改造世界，構筑范圍更廣、更加高效的量子保密通信網絡。

“對于我們團隊來說，衛星的發射并不代表努力就到此為止。單顆低軌衛星無法覆蓋全球，同時由于強烈的太陽光背景，目前的星地量子通信只能在地影區進行。要實現高效的全球化量子通信，還需要形成一個衛星的網絡。”潘建偉說，繼“量子科學實驗衛星”項目之后，他的團隊還將計劃開展空間站“量子調控與光傳輸研究”項目。該項目將研究星間量子通信技術、全天時量子通信技術等，同時進行量子密鑰組網應用、多種技術體制的空間激光通信驗證等應用研究，為下一步的衛星組網奠定技術基礎。“如果進展順利，有希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通信網絡。”

量子計算，是潘建偉想做的另外一件事。

量子計算將帶來計算能力的飛躍，是量子信息除了量子通信外的另一大分支。在經典計算機中，每個比特都只有0和1這兩種狀態。但在量子計算中，每個比特可以處在0和1的疊加狀態上，一旦操縱的量子數目增多，它就會以指數增長的形式來提升運算速度，有超強的并行運算的能力。

“比如利用萬億次經典計算機分解300位的大數需要15萬年，利用萬億次量子計算機，只需要1秒。”潘建偉介紹，在大數據和人工智能里，求解一個億億億變量的方程組，利用目前最快的億億次“太湖之光”超級計算機大概需要100年左右，但是如果利用萬億次的量子計算機，只需要0.01秒。

量子計算不僅可以解決如氣象預報、藥物設計、金融分析、石油勘探所需要處理的大規模計算難題，甚至還能揭示高溫超導、量子霍爾效應等復雜的物理機制。

潘建偉介紹了量子計算的若干進展。由中國科學院與阿里巴巴集團合作成立的量子計算實驗室，將力爭在基于光和超導比特的量子計算、基于超冷原子的量子模擬等最有前途實現實用化量子計算的研究方向上率先取得突破。“到2020年，實驗室有望在量子模擬方面達到‘太湖之光’超級計算機能力，到2030年，在某些特定功能上將達到‘太湖之光’的百億億倍，并且初步實現通用量子計算功能。”近年來，他的團隊在國際上首次實現了快速求解線性方程組的量子算法、量子機器學習算法，成為量子計算應用于大數據分析和人工智能的開創性實驗工作。

“國內量子計算的研究頗有亮點，但想要趕上歐美發達國家，還需要團隊不懈努力。”潘建偉說，現在團隊上下都鼓足了干勁，爭分奪秒地追趕。“我們很有信心。”

 

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量子通信，中國領跑

圖文簡介

在空間尺度檢驗量子力學，有望催生基礎科學前沿領域的突破進展。