“墨子号”何以激起空间量子科学热潮

墨子为什么会引起空间量子科学的热潮。

日前，中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志，陆朝阳，曹源受邀在国际物理学权威期刊《现代物理评论》上发表长篇综合论文《基于墨子卫星的空间量子实验》。

根据消息显示，由于在远距离量子通信尤其是墨子量子卫星方面的一系列开创性工作，这篇由潘建伟等人为《现代物理评论》撰写的46页综合论文全面介绍了近20年来国际空间量子科学研究的成果，重点介绍了墨子量子科学实验卫星前期的关键技术，包括卫星系统和科学应用系统在内的6颗量子科学实验卫星的建造和研制。

《现代物理评论》是国际物理领域最权威的综合性期刊，每年发表的学术论文只有40篇左右总的来说，本刊不接受免费投稿，主要邀请在各个领域有重大成就的物理学家撰写，旨在总结历史，阐述原理，分析现状，预测当今物理学研究中重大热点问题的趋势该论文是潘建伟团队继2012年《多光子纠缠与干涉计量》和2020年《基于现实器件的安全量子密钥分发》之后，在本刊发表的第三篇综合性论文

墨子诞生了

基于量子物理基本原理的量子通信，克服了经典加密技术固有的安全隐患它是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式，可以从根本上解决国防，金融，政务，商业等领域的信息安全问题量子通信通常使用单光子作为物理载体，最直接的传输方式是光纤或地面附近的自由空间信道但这两个信道的损耗会伴随着距离的增加呈指数增加，近地大气信道也会受到地球曲率的影响

由于量子不可克隆的原理，量子通信的信号无法像经典通信那样被放大，这使得之前的量子通信世界纪录只有一百公里因此，如何实现安全，远距离，实用的量子通信是该领域最大的挑战，也是国际学术界几十年来的共同目标

由于外太空几乎是真空，光信号的吸收损耗几乎为零，在卫星的辅助下可以大大延长量子通信距离自本世纪初以来，该方向成为国际学术界激烈竞争的焦点潘建伟团队开展了一系列开创性的实验研究，实现了卫星与地球之间的量子通信2003年，团队提出了利用卫星实现卫星间量子通信，构建覆盖全球的量子保密通信网络的方案随后在2004年，国际上首次实现了水平距离为13公里的自由空间双向量子纠缠分发，验证了通过大气进行量子通信的可行性2011年底，中科院战略先导科技项目量子科学实验卫星正式立项2012年，潘建伟领导的中科院联合研究团队在青海湖首次实现了百公里双向量子纠缠分发和量子隐形传态，充分验证了卫星量子通信的可行性

2013年，中科院联合研究团队在青海湖实现了量子密钥分发实验，模拟了卫星与地球的相对运动以及星地链路的巨大损耗，全方位验证了卫星到地球量子密钥分发的可行性随后，团队经过艰苦攻关，成功研制出墨子号量子科学实验卫星墨子号卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射经过4个月的在轨测试，于2017年1月18日正式交付进行科学实验

中国首次在空间科学研究领域走在世界前列。

最近几年来，潘建伟团队利用墨子号量子卫星在国际上率先完成了一系列开创性的量子科学实验。

这些实验包括:星地量子密钥分发，北京到维也纳的洲际量子密钥分发，基于纠缠的无可信中继量子密钥分发，量子保密通信京沪干线与墨子量子卫星进一步成功对接，验证了星地广域量子通信的可行性，实现了卫星与地球之间的双向量子纠缠分布实验，观察到严格满足爱因斯坦定域条件的贝尔不等式的破缺，验证了空间尺度上量子纠缠的存在和量子力学基本原理的正确性完成了地球—卫星量子隐形传态的首次隐形传态和地球—卫星量子态的远程传输，证明了在距离地球—卫星数千公里的地方就可以完成量子比特的传输，为全球量子信息处理网络奠定了基础在完成了广域量子通信的既定科学目标和量子力学基本问题的考查后，我们还开展了空间量子科学实验其他方向的探索工作利用上行量子通道，检验了一个预言引力场会导致量子退相干的理论模型，迈出了探索量子力学与广义相对论融合的实验检验的第一步将量子通信技术与量子精密测量技术相结合，实现了星地保密的时频传输实验，验证了在空间尺度上研究广域光频标准的可行性

科研人员认为，空间量子科学的这些实验成果，使中国首次走在了空间科学研究的世界前列，牢牢占据了空间量子科学研究的领先和引领地位。

空间量子科学研究必须跃上更高的平台

墨子号量子卫星项目的成功实施，进一步激发了全球空间量子实验的竞争2017年，NASA发布了空间量子物理未来发展白皮书与此同时，欧洲航天局也发表了空间量子技术白皮书墨子号发射成功后，世界各大国都开始了各自的量子卫星研发，推出了基于低轨道小型化量子卫星的计划和时间表

2021年6月，美国，英国，日本，加拿大，意大利，比利时，奥地利七国甚至在G7峰会上达成合作他们首次计划联合开发基于卫星的量子加密网络——联邦量子系统，利用量子技术的突破来防止日益复杂的网络攻击

潘建伟团队的这篇综述论文还梳理了国际空间量子科学的研究进展指出墨子的成功激发了空间量子科学的国际研究热潮，美国，欧盟，日本等各种国际力量开始探索自己的广域量子通信路径，并提出或加速了一系列空间量子科学布局论文还展望了基于空间平台的覆盖全球的量子通信网络和量子物理基础研究的进一步构建，表明墨子系列实验利用空间平台为量子信息和量子物理的前沿研究开辟了广阔的天地

文章最后展望了未来空间量子科学的主要发展方向，提出空间量子科学的研究必将从低轨道平台跨越到中高轨道平台，甚至深空平台在此基础上，利用中高轨道卫星平台覆盖范围广，实验时间长，微重力环境好等优势，将空间量子通信技术同时应用于远距离高精度时频传输，空间超冷原子物理等领域，在量子精密测量，量子物理与广义相对论的融合等基础科学问题上获得更多科学产出