量子力學(xué)的里程碑：墨子號(hào)衛(wèi)星與京滬干線

量子密碼是目前唯一進(jìn)入實(shí)用階段的量子通信與量子計(jì)算基礎(chǔ)技術(shù)。而在這方面，中國(guó)梳理了量子密碼實(shí)用化的兩大里程碑：墨子號(hào)衛(wèi)星和京滬干線。

墨子號(hào)衛(wèi)星：突破距離限制

量子密碼的實(shí)用化面臨一個(gè)主要挑戰(zhàn)：傳輸距離有限。這是因?yàn)榱孔用荑€分發(fā)（QKD）需要單光子傳輸，如果每次發(fā)多個(gè)光子，第三方可以竊取其中一個(gè)光子而不影響剩余的光子到達(dá)接收方，這種方法被稱為光子數(shù)分離攻擊。然而，光子在光纖中的傳輸會(huì)衰減，距離一長(zhǎng)就會(huì)使信號(hào)微弱到不可探測(cè)。

為解決這一問題，科學(xué)家提出了兩種方案：

自由空間傳輸——通過真空或空氣中的單光子傳輸。

中繼器技術(shù)——在傳輸線路上設(shè)置中繼站，逐段傳遞信息。

墨子號(hào)衛(wèi)星正是采用了自由空間傳輸?shù)慕鉀Q方案。2016年8月16日，中國(guó)發(fā)射了世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。它在高空向地面站發(fā)送單光子，實(shí)現(xiàn)星地之間的量子保密通信，覆蓋了河北、青海、云南、新疆、西藏等地的地面站。墨子號(hào)的成功標(biāo)志著中國(guó)成為全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)星地量子保密通信的國(guó)家，而美、歐、日等國(guó)家雖有類似衛(wèi)星的計(jì)劃，但至今尚未成功。

很多人疑惑：墨子號(hào)在數(shù)百公里外僅發(fā)射一個(gè)光子，地面真的能接收到嗎？這正是自由空間傳輸?shù)木钪?。光子在穿過大氣層后，進(jìn)入真空空間基本沒有損耗。由于大氣層有效厚度僅約10公里，并且某些波段光子的損耗僅20%，因此這種傳輸是完全可行的。不過，衛(wèi)星與地面站之間的精確對(duì)準(zhǔn)是另一大挑戰(zhàn)。墨子號(hào)和地面探測(cè)器需要在極高的精度下對(duì)準(zhǔn)，類似于從50公里外將一枚硬幣扔進(jìn)一列全速行駛的高鐵上的瓶子里。這種技術(shù)上的突破，使得墨子號(hào)成功實(shí)現(xiàn)了星地之間的超長(zhǎng)距離量子保密通信。

相比之下，2017年日本發(fā)射了一顆名為“蘇格拉底”的衛(wèi)星，盡管宣稱具備量子通信能力，但因其精度不夠，需每次發(fā)送10億個(gè)光子才能確保接收，根本無法保密。墨子號(hào)在精度上超出其約1億倍，是真正意義上的量子保密通信。

墨子號(hào)不僅實(shí)現(xiàn)了星地量子密鑰分發(fā)，還完成了多個(gè)重要實(shí)驗(yàn)：

量子隱形傳態(tài)：通過量子糾纏，將信息從地面站傳遞到墨子號(hào)衛(wèi)星，突破了經(jīng)典通信的限制。

星地雙向量子糾纏分發(fā)：在衛(wèi)星和地面之間成功分發(fā)量子糾纏狀態(tài)。

事件形式理論驗(yàn)證：檢驗(yàn)了融合量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的事件形式理論，發(fā)現(xiàn)該理論并不成立。

這些成就使得墨子號(hào)成為全球重要的科研設(shè)施之一，為檢驗(yàn)量子力學(xué)與相對(duì)論的基本問題提供了實(shí)驗(yàn)條件。

京滬干線：地面量子通信骨干網(wǎng)

2017年9月29日，中國(guó)開通了世界首條量子通信骨干網(wǎng)京滬干線，將北京、濟(jì)南、合肥、上海等城市的量子城域網(wǎng)通過30個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)連接，形成覆蓋約2000公里的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。開通當(dāng)天，時(shí)任中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮與時(shí)任奧地利科學(xué)院院長(zhǎng)塞林格通過京滬干線實(shí)現(xiàn)了全球首次洲際量子保密視頻通話。墨子號(hào)衛(wèi)星通過奧地利地面站與京滬干線對(duì)接，生成密鑰，進(jìn)一步拓展了量子通信的應(yīng)用。

京滬干線的成功，使得中國(guó)在量子通信領(lǐng)域真正實(shí)現(xiàn)了天地一體化的量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前，國(guó)際量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)上，中國(guó)已領(lǐng)先歐洲3至5年，領(lǐng)先美國(guó)5至8年。

墨子號(hào)衛(wèi)星與京滬干線是量子密碼實(shí)用化的里程碑，標(biāo)志著量子通信邁向?qū)嵱没闹匾徊?。中?guó)在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位不僅展示了我國(guó)的科研實(shí)力，也為全球量子通信與量子計(jì)算的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

作者：《你也可以理解量子信息》風(fēng)云際會(huì)

審核：羅會(huì)仟 中科院物理所研究員

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