就在人們即將迎來“史上最長”國慶中秋假期的時候，遨游在太空的“墨子號”量子衛(wèi)星完成了她的首次“太空求解”。9月20日，國際學術期刊《科學》在線發(fā)布了中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志、范靖云等與合作者完成的一項成果——利用“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星對一類預言引力場導致量子退相干的理論模型進行了實驗檢驗。這是國際上首次利用量子衛(wèi)星在地球引力場中對嘗試結合量子力學與廣義相對論的理論進行實驗檢驗，將極大地推動相關物理學基礎理論和實驗研究。

圓滿實現(xiàn)三大科學目標，還將超期工作年

“墨子號”量子科學實驗衛(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日正式開展科學實驗。

“‘墨子號’量子衛(wèi)星圓滿實現(xiàn)預定的全部三大科學目標，為我國在未來繼續(xù)引領世界量子通信技術發(fā)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。”中國科學技術大學潘建偉教授告訴科技日報記者。

由于量子不可克隆原理，量子通信的信號不能像經(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損耗非常小的特點，通過衛(wèi)星輔助可以大大擴展量子通信距離。

星地高速量子密鑰分發(fā)是“墨子號”量子衛(wèi)星的科學目標之一。“墨子號”量子衛(wèi)星與河北興隆地面光學站建立了光鏈路，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個數(shù)量級(萬億億倍)。

實現(xiàn)地星量子隱形傳態(tài)是“墨子號”量子衛(wèi)星的又一科學目標。量子隱形傳態(tài)可利用量子糾纏將粒子的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠地點，而不用傳送粒子本身。“墨子號”量子隱形傳態(tài)實驗采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式。實驗通信距離從500公里到1400公里，所有6個待傳送態(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”，也是量子力學最神奇的現(xiàn)象之一。這種“鬼魅般的超距作用”在更遠的距離上是否仍然存在?會不會受到引力等其他因素的影響?作為衛(wèi)星的三大科學實驗任務之一，“墨子號”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)實驗。

2020年6月15日，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星在國際上首次實現(xiàn)千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)，將以往地面無中繼量子保密通信的空間距離提高了一個數(shù)量級。

據(jù)悉，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星預計將超出預期壽命、繼續(xù)工作至少2年以上，并展開更多國際合作。

太空最耀眼的“科學之星”

“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星取得的一系列科學實驗成果，在獲得國際上盛大贊譽與好評的同時，也開啟了全球化量子通信時代之門。

星地量子密鑰分發(fā)的實現(xiàn)，為構建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡奠定了可靠的技術基礎。以此為基礎，將衛(wèi)星作為可信中繼，可實現(xiàn)地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)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(wǎng)互聯(lián)，可以構建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡。

星地量子糾纏分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)的實現(xiàn)，使人們可以利用量子糾纏所建立起的量子信道，構建起量子信息處理網(wǎng)絡的基本單元，同時也為未來開展大尺度量子網(wǎng)絡和量子通信實驗研究，以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的實驗檢驗奠定了可靠的技術基礎。

而在“墨子號”三大預定科學實驗任務完成之后，2018年初，通過與奧地利科學院的國際合作，“墨子號”量子衛(wèi)星首次實現(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會評選為2018年度國際物理學十大進展之一。

2018年，素有著諾貝爾獎風向標之稱的“沃爾夫物理學獎”在獲獎者介紹中專門提到：“量子密鑰分發(fā)已經(jīng)成功實現(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”。而這兩個紀錄正是潘建偉團隊創(chuàng)造的，一個是光纖量子密鑰分發(fā)最遠安全距離做到404公里，另一個就是“墨子號”做到的星地1200公里，這是中國科學家的貢獻，也是中國量子通信領先世界的標志。

2019年1月31日，美國科學促進會(AAAS)宣布，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星科研團隊被授予2018年度克利夫蘭獎。這是美國科學促進會設立克利夫蘭獎九十余年來，中國科學家在本土完成的科研成果首次獲得這一重要榮譽。

迄今，“墨子號”研究團隊已在《自然》及《科學》雜志發(fā)表了5篇研究論文，為我國在未來繼續(xù)引領世界量子通信技術發(fā)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。

國際權威期刊《自然》雜志曾評價：“墨子號”量子衛(wèi)星研究成果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(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領先于歐洲和北美。(記者 吳長鋒)

關鍵詞： 墨子號量子衛(wèi)星