【中国科学报】世界首颗量子卫星在这里诞生

  在浩瀚星空里，有一颗卫星独一无二，它在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，初步构建了“天地一体化”量子保密通信体系。它就是由中国自主研制的量子科学实验卫星“墨子号”。

  从2003年萌发量子卫星通信的想法，到2017年“墨子号”预定科学实验任务全部完成，中国科学家经过了14年的努力。从跟跑、并跑到领跑的漂亮“冲刺”背后，是他们追求原创、铢积寸累、协同攻关的故事。

  中国科学院院士、中国科学技术大学（以下简称中国科大）教授潘建伟介绍，不久的将来，星空上还将出现“量子星座”，形成覆盖全球、全天时服务的量子通信网络。科学家甚至有可能将量子实验搬上月球，在地球和月球之间建立起超长的量子纠缠分发，更加深入地探索量子物理基本原理。

  1996年，从中国科大硕士毕业的潘建伟，前往奥地利攻读博士学位。导师蔡林格见到他问的第一个问题是：“你的梦想是什么？”潘建伟脱口而出：“我将来想在中国建一个像您这里一样的实验室，世界一流的量子光学实验室。”

  1997年在蔡林格的实验室，潘建伟与同事首次在国际上实现了量子远程传态，也称量子隐形传态。这一成果被认为是量子信息实验研究的开山之作，直观地向人们展示了量子力学的神奇。

  随后，量子信息在国际上蒸蒸日上。潘建伟在与量子“纠缠”的同时，首先想到的是立足国内。然而，那时国内的量子信息研究几乎一片空白，不仅少有人懂，有时甚至还被认为是“伪科学”。

  2001年，在完成多个量子信息领域奠基性实验工作之后，31岁的潘建伟决定回国，在中国科大组建量子物理与量子信息实验室，独立开展量子信息研究。

  虽然是从零开始，但实验室在组建之初就得到中国科学院、中国科大、国家自然科学基金委员会等机构的全力支持，所以发展非常快。仅2003年一年，潘建伟研究组就作为第一单位在国际高水平期刊《物理评论快报》发表7篇论文。

  但潘建伟想做的事不只是发论文，他还要把论文中的蓝图变成现实。彼时，他有了“一个疯狂的设想”——利用卫星实现远距离量子纠缠分发。

  通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求。千百年来，人们对通信安全的追求从未停止。量子通信作为目前唯一已知的信息论可证的安全传输方式，可以大幅度提高信息安全水平，也是量子信息领域最接近实用化的一个方向。

  潘建伟介绍，之所以需要发射卫星来建立天地间量子通信网络，是因为地面光量子信号的传输主要以光纤为信道，而光纤传输过程中信号损失相当严重。实验表明，光纤传输的量子通信信号在200公里以外就几乎被吸收殆尽。如果想实现远距离量子通信传输，就必须建立多个需要人为保障安全的可信中继站，这无疑增加了信息被窃取的概率。

  而外太空几乎是真空，光信号损耗非常小，利用量子卫星作为中转站，可以将多个城市的城域量子通信网络连接起来，极大地延长量子通信距离。

  在本世纪初，该方向就已成为国际学术界激烈角逐的焦点。谁能拔得头筹，就从另一方面代表着谁能占据量子通信的制高点。

  “过去，我们在科研领域常常扮演追随者和模仿者的角色，研究方向的选定、科研项目的设立都先要看看国际上有没有人做过。量子信息是一个全新学科，我们一定要学会和习惯做开拓者。”潘建伟说。

  要实现星地间量子纠缠分发，第一步就是要验证实验发出的光子能否穿透等效厚度为10公里的大气层。

  2003年，当时还是博士生的彭承志被潘建伟委以重任，“你工程能力强，大胆去试试”。潘建伟还建议他“可以到大蜀山去做”。

  一年后，彭承志与同事在安徽合肥大蜀山完成了中国空间量子通信领域的“开山之作”——全球首次13公里自由空间量子纠缠分发和量子通信实验，证实了量子纠缠在穿透大气层后依然能够保留。

  这次实验结果给了潘建伟很大的信心。2006年，他郑重地向中国科学院提出那个“疯狂设想”，并得到了院党组和主管部门的支持。

  2007年，中国科学院超常规地启动了两个知识创新工程重点项目“远距离量子通信实验研究”和“空间尺度量子实验关键技术与验证”。此后，在这两大项目的支持下，潘建伟团队对自由空间量子实验关键技术进行了大量研究。

  从2007年4月开始，他们在北京八达岭长城附近和河北省张家口市怀来县古城遗址之间搭起通信平台，用两年时间完成了16公里的自由空间量子隐形传态实验。这是当时世界上距离最远的量子隐形传态实验。

  2009年，正在读博士的印娟与同事一起在海拔3200米以上的青海湖搭帐篷、做实验。这次，他们要模拟量子信号在星地间传输的超高几何损耗，实验点就在青海湖中的小岛“海心山”上。

  然而，由于设备稳定性差、技术不成熟等因素，这次实验一直没能取得预期效果。加上海心山不对外开放，生活和交通都不方便。他们只得先行返回中国科大实验室，重新调整方案。

  2010年，印娟等人满怀信心再上青海湖，从6月盛夏坚持到11月飘雪时节，最终在国际上首次实现百公里级量子隐形传态和量子纠缠分发，充分验证了在高损耗的星地链路中实现量子通信的可行性。

  “在小岛上，青海湖管理局的工作人员每个月开船给大家送一次生活补给，比如土豆、鸡蛋这些好保存的食材，以及饮用水，最重要的是设备用发电机所需的柴油。因没有条件洗澡，大家裹军大衣、蓬头垢面是常态。”印娟说，这是一段艰苦又难忘的时光。

  紧接着，他们又模拟了卫星-地面之间的量子通信。他们想了很多办法，如把设备安装在吊车、卡车上，或者让设备随着热气球升空，甚至还利用飞机进行了角速度模拟实验。经过一系列模拟实验，他们验证了高精度捕获跟瞄技术、高灵敏能量分辨探测技术、星载量子光源技术等。

  “上述实验都在2011年左右结束，系列实验成果在‘墨子号’立项论证过程中起到至关重要的作用，关键技术最终用在了‘墨子号’上。”潘建伟说。

  潘建伟说：“我们对年轻人的态度就是，只要能干、愿意干，就放手让他们去干，让他们在摸爬滚打的实践中得到成长。”

  2011年1月25日，潘建伟团队迎来一个关键转折点——中国科学院启动战略性先导科技专项“空间科学”，“量子科学实验卫星”等4颗科学卫星入选。

  2011年12月，量子科学实验卫星工程立项综合论证报告通过专家评审。中国科学院在北京召开会议，审议了工程总体方案及六大系统总体方案的可行性，明确了工程研制建设的主体问题、工程的总体计划安排。

  量子科学实验卫星工程由中国科学院国家空间科学中心抓总负责；中国科大负责科学目标的提出和科学应用系统的研制；中国科学院上海微小卫星工程中心（中国科学院上海微小卫星创新研究院前身）抓总研制卫星系统，中国科学院上海技术物理研究所联合中国科大研制有效载荷分系统；中国科学院国家空间科学中心牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行，对地观测与数字地球科学中心等单位参与。

  量子科学实验卫星的科学目标，一是进行星地高速量子密钥分发实验，在此基础上进行广域量子密钥网络实验；二是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。

  潘建伟介绍：“第一条是基本目标，完成即告成功。而第二条是拓展目标和探索目标。”

  就这样，早期的“疯狂设想”一步步变成了一个个具体方案、一沓沓图纸，以及一个个时间节点。

  中国科学院上海技术物理研究所研究员、“墨子号”工程常务副总设计师兼卫星系统总指挥王建宇也在这时与潘建伟团队结下了不解之缘。做工程出身的他，最初被潘建伟的想法“吓了一跳”。

  “我们的工作是把潘建伟的想法搬到天上去，把天空和大地——几千万平方公里变成一个大实验室。”王建宇说，当时他们列了六七件最难的事儿。

  中国科学院微小卫星创新研究院研究员、量子卫星系统总师朱振才刚接触量子卫星工程时，直觉告诉他，“这是一项前所未有的、挑战技术极限的尖端空间任务”。

  量子卫星成功的关键是确保卫星上发出两束非常狭窄的微弱光束，准确地照射到两台相距千公里的地面望远镜上。与一般卫星不同，量子卫星平台需要克服转台和转镜两套运动模式不同的光学载荷运动干扰、姿控飞轮微振动干扰、高速飞行卫星的位置速度误差、空间环境干扰等因素引起的光束方向抖动，只依靠载荷无法使光束准确、稳定地照射到地面望远镜上。

  “我们采用卫星平台-载荷一体化协同分级控制技术，利用卫星平台姿控系统消除大气、温度等对量子光束范围大、变化慢的干扰，使量子光束保持粗略对准地面望远镜，再利用卫星平台结构削弱变化较快的微振动干扰。最后利用载荷的粗跟踪、精跟踪两级控制，使光束在小范围内精准地照射到地面望远镜，最终攻克了这项技术难题。”朱振才解释说。

  做科学实验要创新，要发现未知的东西，想法能更加大胆。但做工程，他们要确保任务成功。

  所以在卫星具体研制阶段，科学家与工程师团队在具体细节落实上，没少对坐在会议桌前“拍桌子”。

  “后来我们达成了一个共识——采用‘首席科学家+工程总指挥+工程总师’的决策组织模式处理问题。遇到分歧，大家一起拍板。”潘建伟说，“首席科学家+两总”的模式，在类似科研任务中一直延续了下来。

  “科学团队确保工程实施始终瞄准科学目标，配合工程团队厘清相关科学原理。工程团队突破关键技术，精心完成卫星设计、制造和验证，确保卫星性能优异、工作可靠、质量过硬。”朱振才说。

  激动人心的时刻到了。2016年8月16日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心发射升空，中国率先将量子科学实验卫星的设想变成了现实。

  2016年8月16日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心发射升空。

  这颗卫星被命名为“墨子号”，其背后大有深意。历史记载，墨子早在2000多年前就进行了光学实验，发现光线沿直线传播，绘制了凹面反射镜光聚焦、小孔成像等光路图，还测试计算了水的折射率。“就像国外有伽利略卫星、开普勒望远镜一样，以中国古代伟大科学先贤的名字来命名全球首颗量子卫星，能加强我国的文化自信和科研自信。”潘建伟说。

  经过4个月的在轨测试，2017年1月18日，“墨子号”正式交付中国科大开展科学实验。

  2017年6月16日，“墨子号”迎来升空后第一个重大成果，在国际上首次完成千公里级星地双向量子纠缠分发实验，并在此基础上完成了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。

  2017年8月10日，“墨子号”再次完成两项重大突破，在国际上首次成功实现从卫星到地面的千公里级量子密钥分发和地面到卫星的千公里量子隐形传态。

  “墨子号”提前并圆满实现全部三大既定科学目标，为我国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。

  2017年9月29日，中国科学院与奥地利科学院两个量子科学研究团队利用“墨子号”，开展了北京-维也纳距离长达7600公里的洲际量子密钥分发，打通了天地一体化量子保密通信链路，向实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出了坚实的一步。

  国家主席习在2017年新年贺词中，特别提到“墨子号”飞向太空等科技重大进展；2017年10月，党的十九大报告提到“墨子号”升空；在2021年中国成立100周年之际，中央党史和文献研究院编写的《中国一百年大事记》，“墨子号”升空被纳入其中。

  “墨子号”成功发射和完成科学实验任务还分别入选了两院院士评选的2016年和2017年“中国十大科技进展新闻”。因“墨子号”升空而取得重大进展的“广域量子通信”项目研究团队，获得2019年度中国科学院杰出科技成就奖。

  2017年，美国宇航局发布关于未来空间量子物理发展的白皮书，以期在新一轮空间量子科学发展中重新实现“美国领先”。同期，欧洲航天局也发布了空间量子技术白皮书。

  2021年6月，《科学》发表社论称，中国的“墨子号”给美国政府敲响了警钟，最终使得美国在2018年通过《国家量子行动法案》。

  到目前为止，“墨子号”还在辛勤地工作。科学家利用它进行了一系列拓展实验，相关成果不断刷新量子通信距离的世界纪录，使中国牢牢占据空间量子科学研究领域的引领地位。

  潘建伟介绍，在不久的将来，天上会有中高轨量子卫星和实用化的低轨微纳卫星组成的“量子星座”，能够更高效覆盖全球并链接移动目标。“量子星座”和地面上的光纤量子网络连接在一起，就可以构建实用的全球化广义量子保密通信网络。

  “第一颗低成本的量子微纳卫星已经在2022年7月发射成功。我们还在研制一颗中高轨量子科学实验卫星，希望在2026年底具备发射条件。”潘建伟说。

  “量子星座”诞生后，量子科技将迎来更多可能，时间单位“秒”的重新定义、量子引力乃至引力波探测等方面的研究也将随之展开。在可预见的未来，地月量子纠缠分发不再是纯粹的梦想。