“在量子通信领域，当大多数人仍致力于在实验室内部的原理性演示时，我们已经开始思考如何能够在太空中实现量子信息传输。”8月16日，当全球第一颗量子科学实验卫星“墨子号”成功进入太空时，量子科学实验卫星工程首席科学家潘建伟回想起了中国科学家们过去十多年来的不懈追求。
在量子通信的国际竞赛中，中国起步并非最早，但在潘建伟等人的努力下，已经实现“弯道超车”，成为首个将量子科学实验卫星送入太空的国家。“我们将引领全世界在量子通信方面的研究。”他说。
从光纤到卫星
发射量子科学实验卫星的计划，要追溯到13年前。
近年来，量子信息科学成为物理学和信息科学领域最活跃的研究前沿之一。利用量子调控技术，能够用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵，在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典信息技术的瓶颈。
“量子通信是迄今唯一被严格证明为无条件安全的通信方式。量子不可分割、不可克隆，所以能保证加密内容不被破译。它可以从根本上保障信息安全、保护全人类的隐私。”潘建伟说，量子通信的实用化和产业化成为欧盟、美国、日本等争相追逐的目标。
2001年，潘建伟回国建立量子信息实验室。2007年，他的团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了安全距离超过100公里的光纤量子密钥分发实验。在此基础上，我国在城市范围内通过光纤构建了城域量子通信网络，成为城域量子通信网络的全球领先者。
“但光纤存在损耗问题。”潘建伟说，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。早在2003年，潘建伟便提出了发射量子卫星的构想，而当时很多科学家对量子通信的构想还停留在实验室。经过多年研究，2011年，我国正式启动量子科学实验卫星工程，并将其列入空间科学先导专项。
完全靠自己
“墨子号”量子卫星的设计寿命为两年，潘建伟为这颗第一个踏入太空的量子卫星布置了“作业”：进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究，检验量子力学在大尺度范围的有效性。
这些实验将通过我国自主研发的星地量子通信设备完成，它能够产生经过编码的，甚至是纠缠的光子并发射到地面上，与之对接的地面系统则负责接收光子。为此，我国建设了以4个量子通信地面站和1个量子隐形传态实验站为核心的天地一体化量子科学实验系统。
但是，要完成“作业”并不轻松。量子卫星在飞行的过程中，携带的两个激光器要分别瞄准两个地面站，向左向右同时传输量子密钥。“国外的光通信卫星都是瞄准一个地面站，一颗卫星对准两个地面站的从来没有过，而且还要保证对得准，技术难度很大。”量子科学实验卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇说。
这种高精度的跟踪和地面站配合到底有多难？王建宇打了个比方：坐在万米高空的飞机上，向地下连续扔下一枚枚硬币，要保证每一枚硬币都要扔进线型开口的储蓄罐，而且储蓄罐还在旋转。
为了实现这种精度，王建宇与潘建伟等从2012年起就开始进行各种实验。“以前做航天工作，多少能找到一些参考，看看人家是怎么做的，自己怎么改进和超过。但这次是别人从没做过的，完全靠自己解决。”王建宇感慨。
走入千家万户
“墨子号”量子卫星升天后，将结合我国地面即将建成的“京沪干线”千公里级广域量子通信骨干网络，初步构建我国空地一体的广域量子通信体系，为率先建成全球化的量子通信网络奠定基础。
“但卫星的发射并不代表我们的努力就到此为止。”潘建伟说，单颗低轨卫星无法覆盖全球，同时由于强烈的太阳光背景，目前的星地量子通信只能在地影区进行。要实现高效的全球化量子通信，还需要形成一个卫星的网络。
继“量子科学实验卫星”项目之后，我国还将计划开展空间站“量子调控与光传输研究”项目。该项目将研究星间量子通信技术、全天时量子通信技术等，同时进行量子密钥组网应用、多种技术体制的空间激光通信验证、量子密钥分发与激光通信复合的加密信息传输系统等应用研究，为下一步的卫星组网奠定技术基础。
“如果进展顺利，国家也支持发射多颗量子通信卫星，那么有希望到2030年左右，建成全球化的广域量子通信网络。”潘建伟说，他的愿望是争取用15年左右时间使量子通信进入千家万户。
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取名“墨子”彰显文化自信
在量子科学实验卫星发射成功的同时，“墨子”，这个两千多年前的古人的名字将与量子卫星一同遨游太空。“量子科学实验卫星取名‘墨子’，是为彰显我国文化自信。”潘建伟告诉记者。
潘建伟介绍，以墨子为代表的墨家在光学等领域有许多成就，比如《墨子》在世界上最早系统地阐释了“小孔成像”理论，以及光是沿直线传播的。“这是光学领域最重要的科学原理之一，奠定了光通信、量子通信等理论的基础。”他说，《墨子》甚至还走得更远，其关于“端”的论述指出“端”是不占有空间的，是物体不可再分的最小单元，某种程度上提出了原子学说。英国学者李约瑟认为，《墨子》建立了中国古代第一个逻辑学体系，是与古希腊、古印度并列的三大古典逻辑体系。
“现在很多人问，为什么现代科学没在中国诞生？其实，我们的祖先里有非常伟大的科学家。以‘墨子’命名第一颗量子卫星，我们希望可以激发大家的文化自信，激励国人前进。”潘建伟说。
（原载于《光明日报》 2016-08-16 06版）
