上世紀(jì)八十年代以來，量子信息科學(xué)迅速成為近年來物理學(xué)和信息科學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究前沿之一。
利用量子調(diào)控技術(shù)，能夠用一種革命性的方式對(duì)信息進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)、傳輸和操縱，在增大信息傳輸容量、提高運(yùn)算速度、確保信息安全等方面突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。
因此，量子信息科學(xué)拓寬和深化了量子理論在改變?nèi)祟惿詈蜕鐣?huì)面貌方面的應(yīng)用，成為未來信息技術(shù)的戰(zhàn)略性發(fā)展方向，并很有可能會(huì)推動(dòng)整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革命。
最先走向?qū)嵱没牧孔有畔⒓夹g(shù)是量子通信。當(dāng)前，利用衛(wèi)星平臺(tái)的自由空間光子傳輸，被公認(rèn)為是最切實(shí)可行的克服光子易被光纖信道吸收的弱點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)廣域乃至全球量子通信的技術(shù)途徑。因此，其也成為目前量子信息科學(xué)領(lǐng)域最重要的課題之一。
雙重“呼喚”
在過去幾年中，歐洲、美國和中國均在構(gòu)建廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系方面進(jìn)行了戰(zhàn)略性部署，投入了大量的科研資源和開發(fā)力量，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和工程化探索，力爭(zhēng)在激烈的國際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)先機(jī)。
在此深化發(fā)展階段和國際競(jìng)爭(zhēng)激烈的背景下，為了使我國在量子通信技術(shù)激烈的國際競(jìng)爭(zhēng)中搶占主動(dòng)權(quán)，為未來全面實(shí)現(xiàn)量子通信技術(shù)的實(shí)用化奠定堅(jiān)實(shí)的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)，近年來，我國不斷加大對(duì)量子通信研究支持的力度，并在各相關(guān)研究方向上取得了很好的理論、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、人才儲(chǔ)備，開展了一系列優(yōu)秀的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，在實(shí)現(xiàn)廣域量子通信所需的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)上均取得了重要的突破，在發(fā)展進(jìn)程上形成了與歐美先進(jìn)國家比肩的局面，甚至在某些方面已經(jīng)處于國際領(lǐng)先地位。
具體來說，我國在局域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)用化及工程化預(yù)研、基于光與冷原子的量子糾纏操縱，以及量子信息處理方面處于國際領(lǐng)先水平，并且啟動(dòng)了多項(xiàng)前瞻性預(yù)研重大項(xiàng)目，自由空間光子傳輸和星地量子通信的若干關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)也已被陸續(xù)攻克。
但需要看到的是，到目前為止，一方面，人類所進(jìn)行的大部分對(duì)量子力學(xué)原理的檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)仍停留在較小尺度的實(shí)驗(yàn)室范圍，在更大尺度的范圍中檢驗(yàn)量子理論的正確性和量子理論預(yù)示的各種奇異現(xiàn)象的真實(shí)性，成為未來研究的大勢(shì)所趨。
另一方面，雖然當(dāng)下短距離的量子保密通信技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，采用光纖量子通信系統(tǒng)能夠在同一城市中各關(guān)鍵部門構(gòu)建絕對(duì)安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)；但是短距離的量子保密通信顯然無法滿足實(shí)際應(yīng)用需求，只有基于空間平臺(tái)實(shí)現(xiàn)星地量子密鑰分配，才能將多個(gè)地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)相互連接，真正實(shí)現(xiàn)廣域的量子通信網(wǎng)絡(luò)，從而增強(qiáng)我國通信體系的信息戰(zhàn)能力，滿足國防信息現(xiàn)代化的重大戰(zhàn)略需求。
此外，開展星地空間大尺度量子通信研究還有助于人們?cè)诟顚哟紊险J(rèn)識(shí)量子物理的基礎(chǔ)科學(xué)問題，如量子糾纏、Bell不等式、量子非定域性和量子隱形傳態(tài)等等，這將極大地拓寬量子力學(xué)的研究方向，對(duì)于物理學(xué)乃至整個(gè)科學(xué)的發(fā)展都有著至關(guān)重要的意義。
這些來自科學(xué)和應(yīng)用雙方面的需求，與量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目立項(xiàng)伊始制定的科學(xué)目標(biāo)不謀而合：進(jìn)行星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，以期在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破；在空間尺度進(jìn)行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。
量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星將借助于衛(wèi)星平臺(tái)，一方面尋求量子理論在信息學(xué)和通信學(xué)方面最新成果在宏觀大尺度上的應(yīng)用，使量子信息技術(shù)的應(yīng)用突破距離的限制，向更深的層次發(fā)展，促進(jìn)廣域乃至全球范圍量子通信的最終實(shí)現(xiàn)；另一方面將在宏觀大尺度上對(duì)量子理論本身展開實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，在更深層次上為認(rèn)識(shí)量子物理的基礎(chǔ)科學(xué)問題、拓寬量子力學(xué)的研究方向做出重要貢獻(xiàn)，促進(jìn)整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展。
圍繞實(shí)現(xiàn)上述重大科學(xué)目標(biāo)，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星將系統(tǒng)性地對(duì)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)、航天衛(wèi)星平臺(tái)、星上有效載荷和地面科學(xué)終端進(jìn)行研究，開展衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、方案研究與原理模樣研制、初樣研制和正樣研制。
四大實(shí)驗(yàn)
為實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，需借助于衛(wèi)星平臺(tái)，在廣域范圍開展量子密鑰分發(fā)、廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)、量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)四項(xiàng)重要的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
1.星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)
星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)的目的是在高精度捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的輔助下，在實(shí)現(xiàn)地面與衛(wèi)星之間建立超遠(yuǎn)距離的量子信道的基礎(chǔ)上，進(jìn)行衛(wèi)星與地面之間、基于誘騙態(tài)和基于糾纏的量子密鑰生成和分發(fā)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間以量子密鑰為核心的絕對(duì)安全的保密通信試驗(yàn)，從而為建立全球范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)打下技術(shù)基礎(chǔ)。具體實(shí)驗(yàn)方案為：
發(fā)射端按照誘騙態(tài)方案，隨機(jī)偏振編碼單光子信號(hào)，接收端隨機(jī)選擇兩組偏振基矢進(jìn)行測(cè)量，并記下所測(cè)的結(jié)果和所選的基矢；當(dāng)傳送了足夠數(shù)量的光子比特之后，接收端和發(fā)射端在經(jīng)典通道上討論測(cè)量時(shí)用的是哪組基，將基矢選擇不同的結(jié)果全部扔掉；接收端將測(cè)量結(jié)果取一部分出來在經(jīng)典信道公布出來供發(fā)射端校驗(yàn)。
如果這個(gè)校驗(yàn)序列的出錯(cuò)率在正常范圍內(nèi)，那就說明整個(gè)序列是安全的，并不存在竊聽，這時(shí)雙方即可將保留的與偏振態(tài)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)比特序列作為初始碼，初始碼經(jīng)過隱私放大等提純過程得到絕對(duì)安全的最終碼。此時(shí)接收端和發(fā)射端之間就共享了一串絕對(duì)安全的隨機(jī)數(shù)序列（密鑰）。
量子密鑰產(chǎn)生后，通信雙方即可進(jìn)行保密通信。發(fā)送方采用生成的密鑰Key，將要發(fā)送給接收方的明文通過某種加密規(guī)則變換成密文，然后經(jīng)由公開的經(jīng)典信息通道傳送給接收方，接收方采用密鑰Key'通過適當(dāng)?shù)慕饷芤?guī)則將密文變換成為明文。由于加密所用的量子密鑰從原理上已經(jīng)證明是絕對(duì)無法破譯的，而密鑰的生成過程也是絕對(duì)安全的，因此整個(gè)通信過程就是安全的不可被竊聽的。
2.廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)
近年來，隨著光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通過星地量子密鑰分發(fā)過程組建真正的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為可能。這一實(shí)驗(yàn)將在實(shí)現(xiàn)高速星地量子密鑰分發(fā)的基礎(chǔ)上，與兩個(gè)光學(xué)地面站及其附屬的兩個(gè)局域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的方式組建真正意義的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。
具體實(shí)驗(yàn)方案為：在地面建立兩個(gè)光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，并通過光纖與其相鄰的固定光學(xué)地面站聯(lián)通。
當(dāng)衛(wèi)星飛過光學(xué)地面站1上空時(shí)，通過星地量子密鑰分發(fā)過程，在地面站1和衛(wèi)星間建立密鑰K1；同理，當(dāng)衛(wèi)星飛過光學(xué)地面站2上空時(shí)，通過星地量子密鑰分發(fā)過程，在地面站2和衛(wèi)星間建立量子密鑰K2。
衛(wèi)星通過經(jīng)典信道將K1和K2的異或結(jié)果公開發(fā)布，地面站1和2根據(jù)結(jié)果就能夠在兩者之間建立絕對(duì)安全的量子密鑰。通過這樣的方式就能夠?qū)蓚�(gè)分隔遙遠(yuǎn)的地面光纖網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)通，真正實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋量子通信網(wǎng)絡(luò)。
3.星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)
衛(wèi)星上的量子糾纏光源同時(shí)向兩個(gè)地面站分發(fā)糾纏光子，在完成量子糾纏分發(fā)后，對(duì)糾纏光子同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的量子測(cè)量。通過對(duì)千公里量級(jí)量子糾纏態(tài)的觀測(cè)，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。
完成星地量子糾纏分發(fā)有兩種主要的實(shí)驗(yàn)方案：第一種方案是量子信源產(chǎn)生一對(duì)偏振糾纏光子，一個(gè)光子在本地測(cè)量，另一個(gè)通過發(fā)射裝置傳送給接收端，分別用不同的角度的基矢對(duì)信號(hào)光進(jìn)行相互獨(dú)立的測(cè)量，并記錄測(cè)量結(jié)果。將測(cè)量結(jié)果代入Bell不等式，檢驗(yàn)在這種情況下Bell不等式是否破缺，從而給出量子力學(xué)完備性的證明。
第二種方案是將量子糾纏光源放置于空間平臺(tái)上，同時(shí)向兩個(gè)地面站進(jìn)行分發(fā)，在完成量子糾纏分發(fā)后，對(duì)糾纏光子同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的Bell態(tài)測(cè)量，檢驗(yàn)Bell不等式的破缺情況。對(duì)于兩種方案，第二種方案能夠?qū)崿F(xiàn)在真正空間大尺度類空間隔的條件下進(jìn)行Bell不等式破缺檢驗(yàn)，具有重大的科學(xué)意義。
然而，由于需要從空間平臺(tái)向地面發(fā)射糾纏光子對(duì)，糾纏光源需要放置在空間平臺(tái)上，這就對(duì)糾纏光源的亮度和穩(wěn)定性提出了嚴(yán)格的要求。同時(shí)，由于雙向分發(fā)，對(duì)于降低信道衰減以及空間平臺(tái)ATP系統(tǒng)跟瞄精度也提出了更高的要求，這也將導(dǎo)致對(duì)空間平臺(tái)提出了更多系統(tǒng)資源的要求。
4.地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)
量子隱性傳態(tài)是一種全新的通信方式，是量子網(wǎng)絡(luò)與量子計(jì)算的基本過程。地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)將在量子存儲(chǔ)的幫助下，探索衛(wèi)星與地面之間遠(yuǎn)距離的真正意義及量子隱形傳態(tài)的可行性，研究爭(zhēng)取在類空間條件下完成量子力學(xué)非定域性的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)方案如下：
地面量子信源產(chǎn)生一對(duì)糾纏光子，其中一個(gè)通過地面發(fā)射端傳送給空間量子通信平臺(tái)，另一個(gè)放入量子存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)起來�？臻g量子通信平臺(tái)將接收到的光子態(tài)和未知量子態(tài)進(jìn)行聯(lián)合Bell態(tài)測(cè)量，同時(shí)將測(cè)量結(jié)果通過經(jīng)典信道傳送給地面站。
地面站將另一個(gè)糾纏光子從量子存儲(chǔ)器中讀取出來，并根據(jù)空間量子通信平臺(tái)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的幺正變換，從而得到空間量子通信平臺(tái)的未知量子態(tài)。通過這樣的未知量子態(tài)隱形傳遞過程，可以驗(yàn)證量子力學(xué)的非定域性。
意義非凡
面向既定科學(xué)目標(biāo)，完成量子密鑰分發(fā)、廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)、量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)四項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，不但具有顯著的科學(xué)意義，有助于產(chǎn)生新的科學(xué)機(jī)遇，開拓新的科學(xué)前沿；更具備實(shí)用的現(xiàn)實(shí)作用，將對(duì)國家信息安全的切實(shí)保障具有關(guān)鍵的意義。
在科學(xué)層面，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星將使我國在國際上首次實(shí)現(xiàn)星地量子通信，將通過衛(wèi)星平臺(tái)的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)地球上相距遙遠(yuǎn)的兩個(gè)區(qū)域之間的量子通信，真正體現(xiàn)量子通信可向廣域范圍發(fā)展的可能性，并將快速推進(jìn)廣域量子通信的實(shí)用化率先在我國得以實(shí)現(xiàn)，使我國在激烈的國際競(jìng)爭(zhēng)中搶占主動(dòng)權(quán)，在量子通信技術(shù)實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化整體水平上保持和擴(kuò)大國際領(lǐng)先的地位，實(shí)現(xiàn)國家信息安全和信息技術(shù)水平的跨越式提升。
它還將使我國在國際上首次實(shí)現(xiàn)具有空間大尺度的量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，在國際上率先開展一系列空間尺度的量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，取得一系列具有國際顯示度的科學(xué)成果和突破，大大推進(jìn)人類對(duì)大尺度范圍量子力學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，帶動(dòng)我國量子物理整體水平的大幅度提升。
量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星更為廣域量子通信各種關(guān)鍵技術(shù)和器件的持續(xù)創(chuàng)新以及工程化問題提供一流的測(cè)試和應(yīng)用平臺(tái)：將促進(jìn)空間光跟瞄、空間微弱光探測(cè)、空地高精度時(shí)間同步、小衛(wèi)星平臺(tái)高精度姿態(tài)機(jī)動(dòng)、高速單光子探測(cè)等技術(shù)的發(fā)展，形成自主的核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)；在衛(wèi)星平臺(tái)上所進(jìn)行的大尺度量子力學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)也將有可能產(chǎn)生重大的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)，深化人類對(duì)量子物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)；能整合我國在量子通信技術(shù)各方面研究力量和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，形成量子物理學(xué)、光學(xué)、原子和分子物理學(xué)、固體物理學(xué)、電子學(xué)、空間科學(xué)、材料科學(xué)、工程學(xué)等各學(xué)科之間的密切交叉、協(xié)調(diào)配合和攻關(guān)合力，形成各方面成果的快速集成，帶動(dòng)廣域量子通信相關(guān)各方面整體發(fā)展。
在實(shí)用化方面，基于衛(wèi)星平臺(tái)的自由空間量子通信各關(guān)鍵技術(shù)的攻克和星地量子通信的實(shí)現(xiàn)，是量子通信技術(shù)走向廣域乃至全球范圍實(shí)用化進(jìn)程中必須經(jīng)歷的重要步驟和一個(gè)重要的里程碑，對(duì)于國家在量子通信技術(shù)領(lǐng)域占領(lǐng)制高點(diǎn)和國家信息安全的切實(shí)保障具有關(guān)鍵的意義，將為我國量子通信產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定和參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制定提供技術(shù)支撐、打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
實(shí)用化廣域量子通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和成熟也將帶動(dòng)我國光器件、電子、通信、密碼、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、軟件等一系列完整的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的高速發(fā)展，開創(chuàng)多種全新的安全通信應(yīng)用，催生出全新的應(yīng)用領(lǐng)域，拉動(dòng)我國相關(guān)領(lǐng)域的科研內(nèi)需和生產(chǎn)力�！�