首席科學(xué)家潘建偉暢談“墨子號”后續(xù)部署計劃
時間:2016-10-21 10:00:36 來源：
2016年8月16日北京時間凌晨1時40分，全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子”號在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，標(biāo)志著我國在量子通信領(lǐng)域全面領(lǐng)先于世界。ADSS光纜
“墨子號”量子通信衛(wèi)星發(fā)射期間，記者專訪中國量子通信領(lǐng)軍人物、空間量子科學(xué)實驗衛(wèi)星計劃的首席科學(xué)家潘建偉院士，為讀者深度解讀“墨子號”。ADSS光纜廠家
Q：能否簡單解釋一下什么是量子通信？
潘建偉：這是目前唯一得到嚴(yán)格證明的無條件安全的通信手段。傳統(tǒng)的信息安全依賴于計算的復(fù)雜，一旦擁有足夠強大的計算能力，所有依賴于計算復(fù)雜度的傳統(tǒng)加密算法原則上都會被破解。 量子通信的安全性基于量子力學(xué)基本原理，單光子的不可分割性和量子態(tài)的不可復(fù)制性從原理上保證了信息的不可竊聽和不可破解。只要量子力學(xué)是正確的，量子通信的安全性就嚴(yán)格得到保障，與計算能力無關(guān)，因此可從根本上、永久性地解決信息安全問題。ADSS
在城市范圍內(nèi)，通過光纖構(gòu)建城域量子通信網(wǎng)絡(luò)是最有效的手段。 我國在實用化城域量子通信技術(shù)方面處于國際領(lǐng)先，在合肥、濟南、上海、北京等地都建成或即將建成規(guī)?；某怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，并初步應(yīng)用于國防、政務(wù)、金融等領(lǐng)域的信息安全。然而，由于光纖的固有損耗，按照目前的技術(shù)，光纖中點對點的量子通信最多只能達到百公里量級。另一方面，由于大氣層對光子的吸收很有限，將光子送到外太空再通過衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)，是實現(xiàn)數(shù)千公里乃至全球化量子通信的有效手段。OPGW光纜
Q：您是如何產(chǎn)生用衛(wèi)星來試驗量子通信的想法，又經(jīng)過了哪些準(zhǔn)備工作？
潘建偉：2003年起，在大多數(shù)同行仍致力于在實驗室里實現(xiàn)量子通信的時候，我就想到為了真正實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信，可能需要衛(wèi)星。 2004年底，我們團隊在地面實驗中驗證，量子狀態(tài)在穿越整個豎直大氣層后還能夠很好存活，證實了星地量子通信的可能性。此后，在中科院兩個知識創(chuàng)新工程重大項目的支持下，我們和中科院其他單位合作，開展了一系列的驗證實驗，充分驗證了星地量子通信的可行性。 2011年，中科院正式立項量子科學(xué)實驗衛(wèi)星專項。OPGW
Q：“墨子”號發(fā)射后，將會承擔(dān)哪些研究工作？研究團隊有什么樣的分工？
潘建偉：量子科學(xué)實驗衛(wèi)星工程將研制及發(fā)射1顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，建設(shè)以4個量子通信地面站（北京興隆、烏魯木齊南山、青海德令哈、云南麗江）和1個空間量子隱形傳態(tài)實驗站（西藏阿里）為核心的空間量子科學(xué)實驗系統(tǒng)。量子衛(wèi)星發(fā)射入軌后將進行3個月左右的在軌測試，然后轉(zhuǎn)入在軌運行階段，將完成一系列具有國際領(lǐng)先水平的科學(xué)實驗任務(wù)。主要科學(xué)目標(biāo)為： 進行星地高速量子密鑰分發(fā)實驗，并在此基礎(chǔ)上進行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；在空間尺度進行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗的實驗研究。
烏魯木齊南山站和北京興隆站與量子科學(xué)實驗衛(wèi)星配合，完成星地高速量子密鑰分發(fā)實驗和建立廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)演示實驗；量子科學(xué)實驗衛(wèi)星飛過烏魯木齊南山站與青海德令哈站，青海德令哈站與云南麗江站之間時，可在兩個地面站之間進行星地量子糾纏分發(fā)實驗。量子科學(xué)實驗衛(wèi)星飛過阿里量子隱形傳態(tài)站上空時，實驗站向量子科學(xué)實驗衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，完成星地量子隱形傳態(tài)實驗。
量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的研制集合了中科院系統(tǒng)的優(yōu)勢研究力量：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)負(fù)責(zé)科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的研制，中國科學(xué)院上海微小衛(wèi)星工程中心抓總研制衛(wèi)星系統(tǒng)，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制有效載荷系統(tǒng)，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心擔(dān)任工程總體并牽頭負(fù)責(zé)地面支撐系統(tǒng)的研制、建設(shè)和運行。
Q：量子通信衛(wèi)星有4個重要單元：量子密鑰通信機、量子糾纏發(fā)射機、量子糾纏源、量子試驗控制與處理機，能否介紹一下這些單元以及其他部分的作用原理和功能？
潘建偉：這4個單元其實就是量子衛(wèi)星的有效載荷。量子密鑰通信機實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)實驗的密鑰產(chǎn)生發(fā)射、量子隱形傳態(tài)信號接收探測、糾纏信號發(fā)射；量子糾纏源為星上糾纏光子對產(chǎn)生源頭，為糾纏分發(fā)實驗核心；量子發(fā)射機實現(xiàn)糾纏信號發(fā)射、量子密鑰分配實驗密鑰產(chǎn)生和發(fā)射；量子實驗控制與處理系統(tǒng)實現(xiàn)密鑰分發(fā)實驗的后端處理，最后提取最終密鑰，此外實現(xiàn)糾纏實驗和隱形傳輸實驗的數(shù)據(jù)分析處理。
量子密鑰通信機和量子糾纏發(fā)射機是量子衛(wèi)星對地直接進行量子通信的設(shè)備，需要一些特別的技術(shù)。這其中最重要的就是與地面站的精確對準(zhǔn)。衛(wèi)星的運動速度大約是每秒8公里，要和地面望遠(yuǎn)鏡的光軸精確對準(zhǔn)，用一個形象的比喻就是針尖對麥芒：衛(wèi)星的對準(zhǔn)精度就好比在一萬米高空的飛機上，向地面扔一個一個硬幣，要準(zhǔn)確投入儲蓄罐狹長的投幣口內(nèi)，而儲蓄罐還在慢慢旋轉(zhuǎn)中。另外，在量子糾纏分發(fā)實驗中，還需要同時和兩個地面站對準(zhǔn)，難度就更加大， 這要求衛(wèi)星的對準(zhǔn)精度高于普通衛(wèi)星的10倍，實驗才能順利展開，這在國際上以往都未曾做到。
除了有效載荷，衛(wèi)星平臺本身也是重要的單元，因為在所有實驗開始前都需要衛(wèi)星先和地面站初步對準(zhǔn)，這就要求對衛(wèi)星平臺的姿態(tài)進行精確的控制。
Q：量子通信衛(wèi)星的外觀和普通衛(wèi)星有差別嗎？
潘建偉：衛(wèi)星重量約600公斤，外觀上與通常的衛(wèi)星并無太大區(qū)別。
Q：未來，我們國家可能還會發(fā)射第二顆、第三顆量子通信衛(wèi)星，那么后面的衛(wèi)星是否與第一顆有些不同?后續(xù)的衛(wèi)星，目前有發(fā)射的時間表嗎？
潘建偉：單顆量子衛(wèi)星無法直接覆蓋全球，而且目前的空間量子通信還只能在夜間（地影區(qū)）進行，白天強烈的日光背景會帶來很大的干擾。 因此在未來還需要發(fā)射多顆衛(wèi)星來組成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，同時突破日光背景下進行量子通信的技術(shù)，從而實現(xiàn)全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。因此，未來發(fā)射的量子衛(wèi)星還需要衛(wèi)星之間的量子通信、全天時的量子通信，這是與現(xiàn)在這顆量子衛(wèi)星主要的不同之處。后續(xù)衛(wèi)星目前尚無發(fā)射的時間表，不過 我國的未來的空間站項目將開展相關(guān)研究，首先驗證星間、全天時量子通信的可行性。
Q：關(guān)于量子通信，我國是三步走的策略：一是通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)；二是通過量子中繼器實現(xiàn)城際量子通信網(wǎng)絡(luò)；三是通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(xiàn)可覆蓋全球的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。此次量子通信衛(wèi)星的發(fā)射是第三步的重要開端，那么前面兩步完成得如何？
潘建偉：首先，城域量子通信網(wǎng)絡(luò)肯定是第一步，而后面的城際量子通信和衛(wèi)星量子通信是實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信的不同路線，是并行開展研究的，并非有先后的順序。目前我國在城域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面已處于國際領(lǐng)先，在城際量子通信方面也走在了世界前列，今年下半年，國際上首條千公里級光纖量子通信干線“京滬干線”將建成，將連接北京、濟南、合肥、一直到上海的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，并將在國防、政務(wù)和金融領(lǐng)域開展應(yīng)用?？梢哉f，我國在量子通信方面，已全面處于國際領(lǐng)先地位。
Q：量子通信衛(wèi)星發(fā)射后，京滬干線也將完工，利用現(xiàn)有的量子通信網(wǎng)絡(luò)，可以做些什么？
潘建偉：量子通信的應(yīng)用是保障通信的安全，在量子衛(wèi)星發(fā)射、京滬干線建成后，我國的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)就初具規(guī)模，可以在保障國防、政務(wù)、金融等領(lǐng)域的信息安全得以廣泛應(yīng)用。
Q：美國、歐洲也在開展量子通信計劃，能否介紹一下歐美的情況？和他們相比，中國在這一方面處于什么水平？
美國和歐洲其實在量子通信方面的研究是較早的。2008年，歐盟啟動量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究，成立“基于量子密碼的安全通信”工程；美國國防部支持的“高級研發(fā)活動”計劃將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長距離光纖網(wǎng)絡(luò)；NASA也計劃在其總部和噴氣推進實驗室之間建立一個直線600公里、包含10個骨干節(jié)點的遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線，并計劃拓展到星地通信。2014年，全球最大的獨立科技研發(fā)機構(gòu)美國Battelle公司提出了商業(yè)化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，計劃建造環(huán)美國的萬公里量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，為谷歌、IBM、微軟、亞馬遜等公司的數(shù)據(jù)中心之間提供量子通信服務(wù)。總的來說，正如《自然》雜志所評論的，隨著量子衛(wèi)星的發(fā)射和京滬干線的建成， 中國的量子通信水平，已經(jīng)從十年前不起眼的國家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美”。然而，來自歐洲和美國的競爭仍然十分激烈，比如，2016年4月，歐盟委員會正式宣布啟動總額10億歐元的量子技術(shù)旗艦項目，目標(biāo)是使歐洲在未來的量子信息革命中處于前沿位置，而英國政府早在2015年初就已先期配套約3億英鎊用于支持該旗艦項目的啟動；2016年5月，美國國家科學(xué)基金會（NSF）正式提出，將“下一代量子革命”作為未來重點支持的六大科研前沿之一。未來我國能否繼續(xù)保持領(lǐng)先，還需要國家的戰(zhàn)略布局和高強度支持。
Q：我國的計劃是在2030年建成全球化的量子通信，那么作為普通公眾，什么時候可以用到量子通信？全面實現(xiàn)量子通信，您認(rèn)為大致會是在什么時候？
潘建偉：目前的量子通信，由于范圍有限、成本較高，主要還是集中在國家信息安全方面的應(yīng)用。 通過10到15年的努力，如果可以構(gòu)建一個覆蓋全國甚至是全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)，同時隨著應(yīng)用的深入，成本也會逐漸降低，到那時，普通大眾應(yīng)該也能廣泛享受到量子通信帶來的通信安全。比如，可以通過入戶的光纖，每家每戶都有一個量子密鑰機，手機里面也可以有一個量子加密芯片，這樣出門前在量子密鑰機給手機“充量子密鑰”，然后就可以用手機來進行安全的通話、上網(wǎng)、支付等等。請注意， 量子通信并不是要取代傳統(tǒng)通信技術(shù)，反而是使傳統(tǒng)通信更加安全。
Q：從今天到2030年還有15年時間，在未來15年里，還將開展哪些重要的研究計劃和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)計劃？
潘建偉：“十三五”期間國家將布局“量子通信與量子計算”重大科技項目，也會建設(shè)量子信息領(lǐng)域的國家實驗室，我們希望在重大科技項目和國家實驗室的支持下，集合全國的優(yōu)勢研究力量，實現(xiàn)一些關(guān)鍵技術(shù)和器件的突破?；A(chǔ)設(shè)施方面，除了上面說到需要發(fā)射多顆量子通信衛(wèi)星外，地面上也需要在“京滬干線”的基礎(chǔ)上，建設(shè)一個“多橫多縱”的全國性光纖量子通信干線，目前我們正在與國家發(fā)改委溝通。
