2022年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了量子科技領(lǐng)域的科學(xué)家，在諾貝爾獎(jiǎng)的官方介紹中，大量引用了中國科研團(tuán)隊(duì)的成果與貢獻(xiàn)，并出現(xiàn)了“墨子號(hào)”的身影。2022年5月，“墨子號(hào)”實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)相距1200公里兩個(gè)地面站之間的量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸，創(chuàng)造了新紀(jì)錄。

2016年中國成功發(fā)射世界首顆量子衛(wèi)星——“墨子號(hào)”，并圓滿完成星地量子密鑰分發(fā)等三大科學(xué)目標(biāo)。2017年，世界首條千千米級(jí)量子保密通信干線——京滬干線建成啟用，與“墨子號(hào)”相結(jié)合，中國成功實(shí)現(xiàn)世界首次洲際量子保密通信……就讓我們一起回顧“墨子號(hào)”的諸多成就，展望量子科技的未來吧。

“墨子號(hào)”的使命

墨子號(hào)于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，2017年1月18日正式開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。如今，墨子號(hào)已圓滿實(shí)現(xiàn)預(yù)定的三大科學(xué)目標(biāo)，為中國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗(yàn)前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

量子密鑰分發(fā)：無法破譯的安全通信

星地量子密鑰分發(fā)，保密通信核心是密鑰。密碼最容易被破譯的點(diǎn)是在密碼傳遞過程中。能不能制造出在傳遞過程中無法破譯的密碼？這聽上去似乎不太可能，但科學(xué)家非常巧妙地利用量子特性，認(rèn)為通過量子特性產(chǎn)生的密碼，在傳遞過程中是不可能被破譯的。

在物理學(xué)上，是可以產(chǎn)生絕對(duì)安全的密鑰分發(fā)方法的。地面密鑰分發(fā)一般是通過光纖傳輸，而光纖傳輸是有損耗的，傳輸距離有限。因?yàn)槠渌姆椒?，密碼信號(hào)衰減了可以進(jìn)行放大，但量子通信常用的方法是不能放大的，它必須要采用專門的量子中繼的辦法。如果通過衛(wèi)星從天上往地面?zhèn)鬏?，這個(gè)密碼在全球任何地方都可以接收到。

量子糾纏分發(fā)：“鬼魅般的超距作用”

愛因斯坦將量子糾纏遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出光速的現(xiàn)象稱為“鬼魅般的超距作用”，是兩個(gè)（或多個(gè)）粒子共同組成的量子狀態(tài)，無論粒子之間相隔多遠(yuǎn)，測量其中一個(gè)粒子必然會(huì)影響其他粒子，這被稱為量子力學(xué)非定域性。量子糾纏所體現(xiàn)的非定域性是量子力學(xué)最神奇的現(xiàn)象之一。量子糾纏非常脆弱，會(huì)隨著光子在光纖內(nèi)或地表大氣中的傳輸距離而衰減，以往的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)只停留在百千米的距離。墨子號(hào)在國際上首次開展了在空間尺度上的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。

地星間量子隱形傳態(tài)：信息傳輸?shù)某?/span>

量子是不可復(fù)制的，如果一個(gè)世界是不可復(fù)制的，則意味著它沒有辦法和外界交換信息。因此，物理學(xué)家認(rèn)為量子世界里，一定有自己信息傳遞的方式。20世紀(jì)末，有科學(xué)家提出，如果量子糾纏是存在的，量子世界就可以利用糾纏來傳遞信息。

實(shí)現(xiàn)地星間量子隱形傳態(tài)是墨子號(hào)的又一科學(xué)目標(biāo)。量子隱形傳態(tài)可利用量子糾纏將粒子的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送粒子本身。墨子號(hào)量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式。實(shí)驗(yàn)通信距離從500千米到1400千米，所有6個(gè)待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。

墨子號(hào)：閃亮的科技之星

墨子號(hào)取得的一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)成果，獲得了國際社會(huì)的好評(píng)，并開啟了全球化量子通信時(shí)代之門。

2017年，中國和奧地利科學(xué)院的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行合作。中國科學(xué)院白春禮院長和奧地利科學(xué)院利用在2017年10月正式開通的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了視頻通話，實(shí)現(xiàn)了洲際的量子保密通信。這一成果也被評(píng)選為2018年度國際物理學(xué)十大進(jìn)展之一。

北京時(shí)間2018年1月31日晚，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授領(lǐng)銜的墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星科研團(tuán)隊(duì)被授予美國2018年度克利夫蘭獎(jiǎng)（Newcomb Cleveland Prize），以表彰該團(tuán)隊(duì)通過實(shí)現(xiàn)千千米級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)推動(dòng)大尺度量子通信實(shí)驗(yàn)研究的卓越貢獻(xiàn)。這是克利夫蘭獎(jiǎng)設(shè)立90多年來，中國科學(xué)家在本土完成的科研成果首次獲得這一重要榮譽(yù)。

墨子號(hào)衛(wèi)星原本只有兩年壽命，如今依然在天上正常運(yùn)行，助力中國科學(xué)家不斷地進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)，并開展更多的國際合作。

延伸閱讀

量子科學(xué)領(lǐng)域延伸出一個(gè)學(xué)科叫量子信息學(xué)，它可以解決三件事，一是量子通信，解決無條件安全的通信手段；二是量子計(jì)算，速度之快超乎想象；三是量子測量，這個(gè)測量可超越很多目前認(rèn)知上的局限。

量子定位：GPS定位系統(tǒng)在我們的生活中運(yùn)用得很多，但它會(huì)受到大氣環(huán)境的影響，精度就會(huì)受到限制。如果能夠借助一些量子糾纏的方法來進(jìn)行傳輸，定位的精度就可大大提升。

量子雷達(dá)：量子雷達(dá)利用了量子力學(xué)的原理，通過發(fā)射和接收量子信號(hào)來探測目標(biāo)。用量子雷達(dá)去探測隱形飛機(jī)，量子雷達(dá)會(huì)發(fā)射光子，對(duì)掃描區(qū)域內(nèi)的物體進(jìn)行成像，而物體在接收到光子信號(hào)之后，其量子特性會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而量子雷達(dá)就能夠知道目標(biāo)的位置。

量子計(jì)算：量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。量子計(jì)算機(jī)擁有超強(qiáng)的計(jì)算能力，為密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、石油探勘、藥物設(shè)計(jì)等所需的大規(guī)模計(jì)算難題提供了解決方案，并可揭示高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜物理機(jī)制，為先進(jìn)材料制造和新能源開發(fā)等奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

本文有部分刪改。

作者：錢航 劉莞爾（中國航天科技集團(tuán)）

責(zé)任編輯：胡惠雯