“墨子号”探寻量子通信“密码”
■ 本报记者 桂运安
今年1月，中国科学技术大学发布消息，该校潘建伟院士及其同事彭承志等组成的研究团队，最近与合作者利用“墨子号”量子科学实验卫星，在中国和奥地利之间首次实现距离达7600公里的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。该成果标志着“墨子号”已具备洲际量子保密通信能力，为构建全球化量子通信网络奠定坚实基础。
2016年8月16日凌晨，“墨子号”量子科学实验卫星在酒泉卫星发射中心成功发射。该卫星是世界第一颗从事空间尺度量子科学实验的卫星。升空之后，它配合多个地面站，在国际上率先实现星地高速量子密钥分发、星地双向量子纠缠分发及空间尺度量子非定域性检验、地星量子隐形传态以及探索广域量子密钥组网等实验。
“墨子号”科学应用系统总设计师彭承志表示，量子通信基于量子物理学的基本原理，克服了经典加密技术内在的安全隐患，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。目前，基于光纤的城域和城际量子通信技术正在走向实用化和产业化，我国在这方面已经走在了世界前列。但是由于光纤的固有损耗以及单光子状态的不可复制性，目前点对点光纤量子通信的距离难以突破百公里量级。因此，要实现广域乃至全球化的量子通信网络，还需要借助卫星的中转。
“墨子号”正是在这种大背景下应运而生。“墨子号”是中科院空间科学战略性先导科技专项中首批确定的5颗科学实验卫星之一。在“墨子号”首席科学家潘建伟看来，如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的“网”，那么“墨子号”就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。 “天地网”织就后，海量信息将实现“无条件”安全。
“墨子号”由中国科大、中科院微小卫星创新研究院、中科院上海技术物理所等多家单位合作研制。 “墨子号”重约640千克，设计寿命为两年，运行在高度约500千米的极地轨道。但“墨子号”自上天以来，迄今已在轨运行两年零两个月，不仅实现“千公里级”的星地双向量子纠缠分发，打破此前国际上保持多年的“百公里级”纪录，而且在国际上第一次成功实现“千公里级”的星地双向量子通信，提前完成预先设定的量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态三大科学任务，并且结合“京沪干线”首次成功实现洲际量子保密通信。
潘建伟坦言，“墨子号”研制过程中，攻克了许多技术难题才拿下。比如量子纠缠源，虽然只有机顶盒大小，作用却非常关键，它是卫星在空中做各种实验的源头。平时实验室里纠缠源的体积非常大，研究人员不仅把它做到小型化，还通过一系列创新让它满足空间环境要求。此外，“墨子号”对精准控制的要求也前所未有的高。 “墨子号”系统总师朱振才介绍，量子卫星飞行中，携带的两个激光器要分别瞄准两个相距上千公里的地面站，向左向右同时传输量子密钥，且卫星上的光轴和地面望远镜的光轴要始终精确对准，就好比卫星上的“针尖”对地面上的“麦芒”。
“墨子号”的巨大成功，是中国科大等多家科研单位“强强联手”的结果。 “墨子号”发射以后，如果效果达到预期，下一步还将发射“墨子二号”“墨子三号”。未来，一个由几十颗量子卫星组成的“璀璨星群”，将与地面量子通信干线携手，支撑起天地一体化的量子通信网。到2030年，中国力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络。
作为“墨子号”参与研制单位之一，中科院微小卫星创新研究院是我国航天卫星及相关技术领域的总体科研之一，15年以来已成功研制、发射新一代北斗导航卫星、“悟空号”暗物质粒子探测卫星、“墨子号”量子科学实验卫星、全球二氧化碳监测科学实验卫星、“天宫二号”伴随卫星等38颗卫星，成功率达100%，多项成果入选十九大报告、年度新年贺词等。
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