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世界首颗量子科学实验卫星成功发射“墨子号”是怎样炼成的

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左图 星罩组合体在酒泉卫星发射中心实施吊装,与运载火箭对接。新华社发

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示意图 卫星发出一对纠缠光子,两个站同时收到。

右上图 长征二号丁运载火箭成功将“墨子号”发射升空。记者佘惠敏摄

左图 星罩组合体在酒泉卫星发射中心实施吊装,与运载火箭对接。新华社发

经过十三年准备,“墨子号”终于成功升空。

2016年8月16日1时40分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。这将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

右上图 长征二号丁运载火箭成功将“墨子号”发射升空。经济日报记者 佘惠敏 摄

“墨子号”是世界上首颗量子科学实验卫星。量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟说,给它起名“墨子”,是因为墨子首先通过小孔成像实验发现了光沿直线传播,而且他也提出了某种意义上的“粒子论”。

为了这一天,中国的量子物理学家们,已经准备了10多年。

2016年8月16日1时40分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。这将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

带着中国先贤的名字,这颗卫星于凌晨发射至高度为500公里的预定轨道。半夜发射一颗太阳同步卫星,是为了保证它每次飞过中国上空都在夜间,夜间试验可以规避光线干扰。

量子通信可以从根本上解决国防、金融、政务等多领域的信息安全问题,一直得到国际上的高度重视,各国间竞争非常激烈。“墨子号”的成功研制,不仅是中国量子保密通信领域“杀手锏”技术研发的重大突破,也是世界量子通信技术的重要创新,它有望使人类科技发展史上“最安全的通信手段”具备覆盖全球的能力。

为了这一天,中国的量子物理学家们,已经准备了10多年。

那么,量子卫星的前世今生是什么?它是否会成为世界量子通信研究领域最亮的“星”?

神器“墨子号”是怎样炼成的?请看《经济日报》记者从“墨子号”飞升的地方——酒泉卫星发射中心发回的报道。

量子通信可以从根本上解决国防、金融、政务等多领域的信息安全问题,一直得到国际上的高度重视,各国间竞争非常激烈。“墨子号”的成功研制,不仅是中国量子保密通信领域“杀手锏”技术研发的重大突破,也是世界量子通信技术的重要创新,它有望使人类科技发展史上“最安全的通信手段”具备覆盖全球的能力。

量子卫星设想由来已久

科学家的梦想:

神器“墨子号”是怎样炼成的?请看《经济日报》记者从“墨子号”飞升的地方——酒泉卫星发射中心发回的报道。

“2003年,我们想到,为了真正实现远距离量子通讯,可能需要卫星。”8月15日,东风航天城的东风宾馆,潘建伟面对媒体回忆起量子卫星想法的诞生。

把量子实验室搬上太空

说起中国的量子通信,有一个必须提到的名字——潘建伟。

那时,距离潘建伟在中国建立第一个光量子操纵实验室,仅仅两年。

说起中国的量子通信,有一个必须提到的名字——潘建伟。

这位1970年出生的量子物理学家,41岁当选中国“最年轻院士”,42岁获得国际量子通信大奖,45岁成为国家自然科学奖一等奖最年轻的第一完成人。现在,作为首席科学家,他领衔研制的世界首颗量子科学实验卫星已经飞上太空。

量子有许多神奇的特性,其中之一就是“纠缠”。对处于纠缠态的其中一个粒子进行操作,会影响到另一个粒子。不管这两个粒子相距多远,他们都有着不可思议的“心灵感应”。

这位1970年出生的量子物理学家,41岁当选中国“最年轻院士”,42岁获得国际量子通信大奖,45岁成为国家自然科学奖一等奖最年轻的第一完成人。现在,作为首席科学家,他领衔研制的世界首颗量子科学实验卫星已经飞上太空。

“把量子实验室搬上太空的梦想,10多年前就已经开始。”中国科学技术大学教授、量子卫星首席科学家潘建伟告诉记者。

于是,量子隐形传态的概念被提出:关于一个量子客体的全部信息在某个地点被扫描输入,又能在一个新的地点重构出来。

“把量子实验室搬上太空的梦想,10多年前就已经开始。”中国科学技术大学教授、量子卫星首席科学家潘建伟告诉记者。

“量子物理正迎来一场新的革命,我们开始对量子进行精确调控,其意义就像生物学从豌豆遗传规律发展到基因双螺旋结构。”潘建伟说,自上世纪末以来,人类对自然界的能量最小单位“量子”的理解,开始突破往昔瓶颈。

但是,传递处于纠缠态粒子的过程,充满着噪音、散射和各种形式的其他干扰,任何一种干扰都会破坏隐形传态所必需的精巧的量子关联。比如,纠缠光子通过光纤传输,但光纤会吸收光,这大大限制了光子的传输距离。潘建伟说,即使存在超出目前技术水平的10G赫兹理想单光子源和100%探测效率的理想单光子探测器,但若要在1000公里光纤中进行点对点量子通信,每300年也只能传输一个比特。“因此,要实现覆盖全球的广域量子保密通信,还需要借助卫星的中转。”

“量子物理正迎来一场新的革命,我们开始对量子进行精确调控,其意义就像生物学从豌豆遗传规律发展到基因双螺旋结构。”潘建伟说,自上世纪末以来,人类对自然界的能量最小单位“量子”的理解,开始突破往昔瓶颈。

在这场量子学革命的科学竞赛中,很多个世界首次均来自于潘建伟领衔的“中国队”。在国际上首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发、实现国际上首个全通型量子通信网络、建成首个规模化量子通信网络……“这标志着中国在量子通信领域的崛起,从10年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美。”国际权威期刊《自然》杂志曾如此感叹。

通过一系列的实验,量子隐形传态的距离纪录被中外科学家一再刷新。

在这场量子学革命的科学竞赛中,很多个世界首次均来自于潘建伟领衔的“中国队”。在国际上首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发、实现国际上首个全通型量子通信网络、建成首个规模化量子通信网络……“这标志着中国在量子通信领域的崛起,从10年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美。”国际权威期刊《自然》杂志曾如此感叹。

量子通信的安全性基于量子物理的基本原理。作为光的最小粒子,每个光量子在传输信息的时候具有不可分割和不可被精确复制两大特性,使得存在窃听就一定会被发送者察觉并规避,从而保证了信息的安全。

2005年,潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验,证实光子穿透大气层后,其量子态能够有效保持。

量子通信的安全性基于量子物理的基本原理。作为光的最小粒子,每个光量子在传输信息的时候具有不可分割和不可被精确复制两大特性,使得存在窃听就一定会被发送者察觉并规避,从而保证了信息的安全。

“量子通信要真正实用化必须远距离,但光子在光纤中随着传输距离的增长,损耗越来越大。”潘建伟说,即使存在超出目前技术水平的10G赫兹理想单光子源和100%探测效率的理想单光子探测器,在1000公里光纤中进行点对点量子通信,每300年也只能传输一个比特。“而用上卫星中转,现有技术就能1秒传送100K,随着技术进步,将来1M、10M都有可能。”

2007年开始,潘建伟与中科院一些机构合作,做地面验证。2010年,他们论证了发射卫星的可能性;2011年底,量子科学实验卫星项目正式立项。