中評社北京7月15日電／據科技日報報道，日前，由於在遠距離量子通信特別是“墨子號”量子衛星方面所取得的一系列具有開創性意義的工作，該校潘建偉及其同事彭承志、陸朝陽、曹原應邀在《現代物理評論》上發表題為“基於‘墨子號’衛星的空間量子實驗”的長篇綜述論文。
《現代物理評論》是國際物理學界最權威的綜述性期刊，每年僅發表約40篇學術論文。該期刊一般不接受自由投稿，主要是邀請在各領域卓有建樹的物理學家執筆，旨在對當今物理研究的重大熱點問題作歷史總結、原理闡述、現狀分析和趨向預測。
這篇46頁的綜述論文，全面介紹了國際空間量子科學研究近20年來取得的成就，重點闡述了“墨子號”量子科學實驗衛星從前期關鍵技術攻關，包括衛星系統、科學應用系統等6大系統的量子科學實驗衛星的建設和研制，到衛星在軌運行後所取得的系統性科研成果，為國際學術界提供了寶貴的資料。
論文從量子信息理論的基本概念、早期量子通信和量子信息相關原理性實驗、面向衛星的地面大空間尺度驗證實驗，以及“墨子號”衛星從立項、研制、在軌運行到最終在國際上率先完成一系列星地量子科學實驗，進行了系統性的闡述和總結。同時，該綜述論文還對國際空間量子科學的研究進展進行了梳理。
中國空間量子科學研究走在世界最前列
量子通信基於量子物理學的基本原理，克服了經典加密技術內在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴格證明無條件安全的通信方式，可以從根本上解決國防、金融、政務、商業等領域的信息安全問題。量子通信通常采用單光子作為物理載體，最為直接的傳輸方式是光纖或者近地面自由空間信道。
由於外太空幾乎真空，對於光信號的吸收損耗幾乎為零，因此通過衛星的輔助可以極大擴展量子通信距離。21世紀初以來，該方向已成為國際學術界激烈角逐的焦點。
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，該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，隨後於2004年在國際上首次實現了水平距離13公裡（大於大氣層垂直厚度）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裡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。隨後，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”衛星於2016年8月16日在酒泉衛星發射中心發射升空，經過4個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學實驗。
潘建偉團隊利用“墨子號”量子衛星在國際上率先完成了一系列具有開創意義的星地量子科學實驗：完成了星地量子密鑰分發、北京到維也納的洲際量子密鑰分發，基於糾纏的無需可信中繼量子密鑰分發，并進一步在量子保密通信京滬幹綫與“墨子號”量子衛星之間成功實現了對接，驗證了星地廣域量子通信的可行性；完成了首個地星量子隱形傳態以及星地量子態遠程傳輸，證明了在地星千公裡距離上能够完成量子比特的傳輸，為全球化量子信息處理網絡奠定了基礎……
這些空間量子科學實驗成果使我國第一次在空間量子科學研究領域走到了世界最前列，牢牢占據了空間量子科學研究領域的主導和引領地位。
引發國際空間量子科學研究熱潮
“墨子號”的成功激勵了國際空間量子科學的研究熱潮，美國、歐盟、日本等國際上的各方力量隨後皆開始探索自己的廣域量子通信之路，提出或加速了一系列空間量子科學布局。
2021年6月，美國、英國、日本、加拿大、意大利、比利時和奧地利7國更是在G7峰會上達成合作，首次計劃聯合開發一個基於衛星的量子加密網絡——“聯邦量子系統”（FQS），利用量子技術的突破來防範日益複雜的網絡攻擊等。
論文的最後，作者對未來空間量子科學的主要發展方向進行了展望，提出空間量子科學研究必將從低軌道平台跨越到中高軌平台，甚至是深空平台。在此基礎上，利用中高軌衛星平台覆蓋範圍廣、實驗時間長、微重力環境好等優勢，將空間量子通信技術同時交叉應用於遠距離高精度時頻傳遞和空間超冷原子物理等領域，在量子精密測量、量子物理與廣義相對論融合等基礎科學問題方面獲得更豐富的科學產出。
據了解，該論文是潘建偉團隊在該期刊上繼2012年的“多光子糾纏和幹涉度量學”以及2020年的“基於現實器件的安全量子密鑰分發”之後的第3篇綜述論文。 |
