“墨子号”量子卫星：太空最耀眼的“科学之星”

9月20日，国际学术期刊《科学》在线发布了中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志、范靖云等与合作者完成的一项成果——利用“墨子号”量子科学实验卫星对一类预言引力场导致量子退相干的理论模型进行了实验检验。这是国际上首次利用量子卫星在地球引力场中对尝试结合量子力学与广义相对论的理论进行实验检验，将极大地推动相关物理学基础理论和实验研究。

圆满实现三大科学目标，还将超期工作年

“墨子号”量子科学实验卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心成功发射，2017年1月18日正式开展科学实验。

“‘墨子号’量子卫星圆满实现预定的全部三大科学目标，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。”中国科学技术大学潘建伟教授告诉科技日报记者。

由于量子不可克隆原理，量子通信的信号不能像经典通信那样被放大，又由于光纤信道的固有衰减，量子通信的距离受到很大限制。利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点，通过卫星辅助可以大大扩展量子通信距离。

星地高速量子密钥分发是“墨子号”量子卫星的科学目标之一。“墨子号”量子卫星与河北兴隆地面光学站建立了光链路，在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级（万亿亿倍）。

实现地星量子隐形传态是“墨子号”量子卫星的又一科学目标。量子隐形传态可利用量子纠缠将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送粒子本身。“墨子号”量子隐形传态实验采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式。实验通信距离从500公里到1400公里，所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限。

量子纠缠被爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”，也是量子力学最神奇的现象之一。这种“鬼魅般的超距作用”在更远的距离上是否仍然存在？会不会受到引力等其他因素的影响？作为卫星的三大科学实验任务之一，“墨子号”量子卫星在国际上首次在空间尺度上开展了量子纠缠分发实验。

2020年6月15日，“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发，将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级。

据悉，“墨子号”量子科学实验卫星预计将超出预期寿命、继续工作2年以上，并展开更多国际合作。

太空最耀眼的“科学之星”

“墨子号”量子科学实验卫星取得的一系列科学实验成果，在获得国际上盛大赞誉与好评的同时，也开启了全球化量子通信时代之门。

星地量子密钥分发的实现，为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。以此为基础，将卫星作为可信中继，可实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。此外，将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。

星地量子纠缠分发和地星量子隐形传态的实现，使人们可以利用量子纠缠所建立起的量子信道，构建起量子信息处理网络的基本单元，同时也为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究，以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。

而在“墨子号”三大预定科学实验任务完成之后，2018年初，通过与奥地利科学院的国际合作，“墨子号”量子卫星首次实现了北京和维也纳之间相距约7600公里的洲际量子保密通信。这一成果也被美国物理学会评选为2018年度国际物理学十大进展之一。

2018年，素有着诺贝尔奖风向标之称的“沃尔夫物理学奖”在获奖者介绍中专门提到：“量子密钥分发已经成功实现商业化，在光纤中已经能做到几百公里，用卫星可以做到上千公里”。而这两个纪录正是潘建伟团队创造的，一个是光纤量子密钥分发最远安全距离做到404公里，另一个就是“墨子号”做到的星地1200公里，这是中国科学家的贡献，也是中国量子通信领先世界的标志。

2019年1月31日，美国科学促进会（AAAS）宣布，“墨子号”量子科学实验卫星科研团队被授予2018年度克利夫兰奖。这是美国科学促进会设立克利夫兰奖九十余年来，中国科学家在本土完成的科研成果首次获得这一重要荣誉。

迄今，“墨子号”研究团队已在《自然》及《科学》杂志发表了5篇研究论文，国际权威期刊《自然》杂志曾评价：“墨子号”量子卫星研究成果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。

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