他们用卫星，让中国量子通信领跑全球

光子盒研究院

上周二（5月30日），中国宣布其神舟十六号飞船与天宫三号空间站成功对接，官方媒体称景海鹏、朱杨柱和桂海潮这三名中国宇航员将有机会研究“新的量子现象”。这意味着中国量子技术发展的一大突破：我们现在可以依靠特殊卫星（而不是空间站）来执行量子实验。

目前，除了相关预告片之外，还没有披露更多的细节。

相信大家对量子通信卫星这一概念并不陌生：如今的量子通信卫星已经不局限于学术研究，在商业化方面也具备了可行性。在这一层面上，中国团队很早便已开始布局。

我们现有的“墨子号”卫星是一个量子实验室，自 2016 年 8 月发射进入低轨道（海拔 500 公里）以来，已经取得了一系列科学成就。2020年6月，潘建伟团队宣布“墨子号”卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。2021年1月，该团队宣布建成跨越4600公里的天地一体化量子通信网络。

接下来，“墨子号”将与俄罗斯、意大利、瑞典、南非等国进行洲际试验。

“墨子号”卫星于 2016 年 8 月发射至近地轨道，目前仍在运行。

去年（2022年） 7 月，中国成功发射了一颗低轨道量子卫星“济南一号”。中国还计划在未来几年内发射一颗中高地球轨道卫星和几颗较小的低轨道卫星。 

如果所有这些实验都成功，中国可以通过量子密钥分发（QKD）这种加密技术实现不可破解的数据传输，并为银行和政府客户提供相关服务。

“我们现在正在研制第一颗中高轨道量子卫星，计划在2026年前后发射。”中国科学技术大学物理学教授潘建伟在 5 月 10 日澳门举行的BEYOND大会开幕致辞中说道：“除了测试 QKD 之外，量子卫星还将为量子精密测量（或量子时钟）提供一个新的平台，有了这个，我们就可以实现超过一万公里的量子纠缠分发。”

量子纠缠是一种现象，它可以解释两个光子如何相互联系并具有相同的偏振状态——即使它们相距甚远。当其中一个（光子）的状态被改变时，另一个也会改变。这种现象可以应用于数据传输的加密。

同时，这种类型的加密是不可破解的，因为它依靠的是量子力学基础；而银行和政府用来保护其数据传输的传统公钥加密法依赖数学函数，可以用超级计算机或量子计算机来解密。

用通俗的话说就是：

- 量子纠缠分发涉及将两个光子发送到两个地方，同时保持其状态。

- QKD是沿着数据传输通道发送一个光子，但保留另一个光子，以确保没有黑客入侵的情况发生。

- 量子隐形传态是发送有关光子状态的信息。

量子纠缠理论由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔首次提出，他在1933年获得了诺贝尔物理学奖；1984年，工程师Charles Bennett和Gilles Brassard发明了第一个名为BB84的QKD协议，它使用1550纳米的激光源发射偏振光脉冲。

1998年，奥地利物理学家Anton Zeilinger在量子隐形传态方面取得了突破，这是许多量子信息协议中的一个基本概念，也是在量子计算机内建立门的一个重要可能机制。

Zeilinger与美国物理学家John Clauser、法国物理学家Alain Aspect一起，获得了去年（2022年）的诺贝尔物理学奖。随后，师从Zeilinger的潘建伟也于1999年在奥地利维也纳大学获得博士学位。

2001年，潘建伟回到中国。2009年，他的团队在超过16公里的距离上进行了量子隐形传态，在当时创造了世界纪录。2016年，潘建伟领导中国的量子科学实验卫星项目，发射了“墨子号”卫星。2017年，该卫星利用BB84激光器向地面发送信号，并完成了一系列的量子实验。

“为了实现全球量子通信，有必要克服目前量子卫星所面临的困难，”潘建伟表示：“一颗低轨道卫星无法覆盖整个世界；另外，目前的卫星只能在晚上天气好的时候发送信号。”

这些问题可以通过向低轨道发射更多的卫星来解决，以覆盖更广泛的地面区域，并向中高轨道发射一颗更大的卫星来连接它们。

相比之下，埃隆·马斯克大名鼎鼎的Starlink卫星现在正在低轨道（海拔550公里）运行。中轨道指的是海拔2万公里的高度，GPS卫星和中国的北斗卫星正在那里运行。高轨道或地球静止轨道的海拔约36,000公里，适用于发送电信和电视信号的传统卫星。

“目前，我们在这一领域比其他全球参与者至少先进五年。如果我们能成功发射中高量子卫星，我们将领先世界至少10年。”

王建宇是中国科学院上海技术物理研究所研究员、“墨子号”工程常务副总设计师、卫星总指挥。2007年，王建宇刚刚完成“嫦娥一号”探月卫星工程项目，量子物理科学家潘建伟就向他抛出橄榄枝，邀请他主持量子通信实验卫星的系统设计及研制。

“要把量子实验搬到天上去。”遵循潘建伟院士的想法，王建宇带着他的团队从零开始自主研发精密跟踪控制系统：从算法、设计到器件、工艺、装配等，对一个个技术难点进行攻关。正是在这种坚持下，“墨子号”才从一个方案、一沓图纸，最终走到了预研阶段的最后一步——热气球高空模拟量子信号发射到地面目标并接收。

历时近十年，2016年8月16日，“墨子号”成功发射。三大科学目标在不到半年的时间内全部实现，奠定了我国在量子通信领域的领跑地位。

“‘墨子号’卫星只是一个起点，”中科院院士王建宇在去年8月的一次公开采访中说：“从实用的角度来看，我们应该在低、中、高轨道上建立一个卫星网络，以覆盖世界上所有的量子通信网络。”

2016年9月，当中国的“天宫二号”空间站发射进入低轨道时，潘建伟建立QKD卫星网络的想法终于得以实现。该空间站在2018年至2019年间向地面发送QKD信号，并与“墨子号”卫星合作。

全球量子通信网络路线图。将使用光纤创建市内城域网，量子中继器可以连接城域网，远程和洲际量子通信将通过卫星量子信道实现。

中国原本计划在2022年将“天宫二号”与“天宫三号”结合起来。但是，随着“天宫二号”在控制下重返地球，并于2019年7月在南太平洋上空烧毁，这些实验结束了。

关于“天宫二号”做了哪些量子实验的细节直到去年（2022年）8月才被公开：这包括量子密钥分发实验、演示量子网络、验证组网能力等。

济南一号实拍

2022年7月27日，世界首颗量子微纳卫星“济南一号”在酒泉卫星发射中心搭载“力箭一号”运载火箭成功发射。研究团队成功攻关低成本小型化量子密钥分发技术、实时密钥提取技术等关键技术，完成星载量子密钥分发终端、微纳卫星平台研制，将量子微纳卫星的重量降低到“墨子号”的约1/6、光源频率提升约6倍、密钥生成时效性提高2-3个数量级，配合小型化地面站系统，可完成实时星地量子密钥分发实验，并开展技术验证及应用推广。

对于这一卫星，中国科学技术大学教授廖胜凯表示，“济南一号”总重98公斤，有一个23公斤的QKD发射器，而“墨子号”卫星重640公斤，有一个80公斤的QKD发射器。他表示，尺寸的减少可以帮助大大降低研究成本。

虽然中国在太空的量子方面花费更多，但西方公司“更愿意留在地面上”——他们认为，如果有一天QKD可以通过光纤传输，那么通过卫星传输将被证明是相对不经济的，中国在商业方面将失去赌注。

2021年6月，英国的一家加密初创公司Arqit表示，它将在2023年发射两颗QKD卫星。但《华尔街日报》去年4月的一篇报道称，该公司可能夸大了其前景。去年（2022年）12月，Arqit又说它放弃了发射量子卫星的计划，因为它将依靠其Quantum Cloud量子云向客户提供加密服务。

现在，欧洲国家、日本和美国已经建立并正在扩大自己的QKD网络，因为他们看到银行和政府客户对加密服务的需求不断增加。不可置疑的是，在量子信息网络领域，中国“或多或少比世界其他国家领先十年”。

早在2017年9月，中国就已经建造了一个连接北京、济南、合肥和上海的2000公里长的量子光纤网络；去年1月，中国科学家郭光灿领导的团队实现了833公里的QKD传输距离，打破了东芝公司实验室的研究人员在2021年10月实现的605公里的记录。

5月25日，潘建伟和一组中国科学家在学术周刊《物理评论快报》发表的一篇论文中表示，他们在光纤中实现了1002公里的点对点长距离QKD。

这是“一个个不可否认的技术成就”。

在地面上，QKD通常是通过光纤从Alice到Bob（两个虚构的人物，代表量子通信中的发送方和接收方）进行。但传输距离很大程度上会受到信号损失的限制。

为了进行通信，量子设备必须“使用由处于纠缠状态的光粒子建立的通信通道发送和接收量子比特”。然而，这些量子比特对它们穿过的环境很敏感。光纤的环境“是密集的，由于这个原因，对光的吸收率很高，从而会失去量子比特”。我们不能冒着破坏其特性的风险放大量子信号；因此，有必要通过寻找一个传输损耗尽可能低的介质来承受传输损耗——这就是自由空间：它是一种空的介质，没有什么可以吸收光。这就是为什么卫星几乎是长距离量子通信的必要条件。

具体来说，在卫星上，“激光激发晶体，使激光的光子产生两个相关的光子。然后可以通过向每个地面站发送每对光子来分离这些光子。一旦这些光子被地面站接收，就可以实施一个状态隐形传态协议，将信息从一个光子传输到另一个。严格地说，信息并不流经卫星，它只是用来产生光子对以建立通道。”

如今，潘建伟、王建宇等科研团队正在全力推进中高轨量子卫星项目，一批新的科学实验载荷已经进入工程攻关阶段。从“墨子号”到“济南一号”，这些大国科技从图纸到现实的背后，总有无数科学家的身影。

——他们把很多大胆设想变成现实，让很多看似不可能的科学研究成为可能。

参考链接：

[1]https://www.sohu.com/a/575011399_119038

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/1gXkT2JQr2RqOEUUlak6kw

[3]https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-8-933&id=492969

[4]https://aircosmosinternational.com/article/the-promise-of-quantum-technologies-3842

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/0rug-9ooCLxPKMy2jISPAQ

[6]https://mp.weixin.qq.com/s/ZGzOBHwJ8AlAPd6OS_YK6w