全球首个星地量子通信网络，覆盖我国四省三市32个节点，包括北京、济南、合肥和上海4个量子城域网，通过两个卫星地面站与“墨子号”量子科学实验卫星相连，总距离为4600公里，目前已接入金融、电力、政务等行业的150多家用户。

　　遨游在太空的“墨子号”量子科学实验卫星，如今有了属于自己的“正式名称”。2020年9月11日，国家重大文化工程《辞海》(第七版)正式对外发布，本次新增内容中添加了“量子通信”“量子科学实验卫星”等词条。

　　2016年8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。为了这一天，中国的量子物理学家们，已经准备了10多年。

　　把量子实验室“搬”上太空

　　“墨子号”量子科学实验卫星的诞生，源于我国“构建全球范围量子通信网”的科学愿景。

　　“把量子实验室‘搬'上太空的设想，10多年前就已被提出。”中国科学技术大学教授、中国科学院院士潘建伟说。

　　早在2003年，潘建伟团队就开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信，提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案。在自由空间，环境对光量子态的干扰效应极小，而光量子在穿透大气层进入外层空间后，其损耗更是接近于零，这使得自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更具优势。

　　2005年，潘建伟团队首先在合肥实现距离达13公里的自由空间量子纠缠分发和量子通信，13公里约等于地球表面的大气厚度，这次实验在国际上首次证明纠缠光量子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后，纠缠仍然能够保持，其可被应用于高效、安全的量子通信，该实验为后续的自由空间量子通信实验奠定基础。

　　此前，一直走在全球量子通信领域前列的，是奥地利物理学家安东·蔡林格的团队。安东·蔡林格团队1997年在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证，他们在2004年又利用多瑙河底的光纤信道将量子态隐形传输距离提高至600米。潘建伟到奥地利攻读博士学位期间，曾在安东·蔡林格团队担任研究骨干。

　　2001年，潘建伟学成回国，在中国科学技术大学建立起中国的量子物理实验室。在那之后，这对师徒既是合作伙伴又是竞争对手，正式开始了攀登量子通信技术高峰的竞赛。

　　相比于安东·蔡林格团队，潘建伟团队的进度更快，并逐步实现了从并跑到小幅度领先的超越。

　　2010年，潘建伟团队成功实现当时世界上最远距离的16公里量子隐形传态，首次证实量子隐形传态穿越大气层的可行性，为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。为了这次实验，潘建伟团队从2007年开始在北京八达岭与河北怀来之间架设了一条长达16公里的自由空间量子信道。

　　随后，潘建伟团队在青海湖地区新建实验基地，开展验证星地自由空间量子通信可行性的地基实验研究，从多个方面进行攻关，旨在突破基于卫星平台自由空间量子通信的关键技术瓶颈，并在2012年实现全球首个上百公里的自由空间量子隐形传态和量子纠缠分发，对星地量子通信可行性进行了全方位地面验证。

　　在这场量子学革命的科学竞赛中，多个“世界首次”“世界首个”均来自于由潘建伟领衔的“中国队”：在国际上首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发、实现国际上首个全通型量子通信网络、建成世界首个规模化量子通信网络……“这标志着中国在量子通信领域的崛起，从10年前不起眼的国家逐步发展为现在的世界劲旅，将领先欧洲和北美。”国际权威期刊《自然》杂志曾如此感叹。

　　中国团队的这些研究工作，证明了实现基于卫星的全球量子通信网络和开展空间尺度量子力学基础检验的可行性。

　　挑战世界最高难度

　　2010年3月31日，我国国务院第105次常务会议审议通过了中国科学院“创新2020”规划，要求中国科学院“组织实施战略性先导科技专项，形成重大创新突破和集群优势”。

　　2011年1月25日，中国科学院实施启动首批“4+1”个战略性先导科技专项，其中就包括空间科学先导专项。空间科学先导专项第一批确定研发包括“墨子号”在内的四颗科学实验卫星。另外三颗分别为暗物质探测卫星“悟空”、我国首颗微重力科学实验卫星“实践十号”和硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”。

　　“工程师的任务是技术实现，要把科学家的梦想变成现实。”量子卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇说，2011年量子科学实验卫星“墨子号”项目正式立项后，更高难度的挑战开始了。

文章来源：《量子电子学报》 网址: http://www.lzdzxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0623/1070.html

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