上世紀八十年代以來，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信息進行編碼、存儲、傳輸和操縱，在增大信息傳輸容量、提高運算速度、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)祟惿詈蜕鐣婷卜矫娴膽?yīng)用，成為未來信息技術(shù)的戰(zhàn)略性發(fā)展方向，并很有可能會推動整個信息產(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)星平臺的自由空間光子傳輸，被公認為是最切實可行的克服光子易被光纖信道吸收的弱點、實現(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，進行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和工程化探索，力爭在激烈的國際競爭中占據(jù)先機。
在此深化發(fā)展階段和國際競爭激烈的背景下，為了使我國在量子通信技術(shù)激烈的國際競爭中搶占主動權(quán)，為未來全面實現(xiàn)量子通信技術(shù)的實用化奠定堅實的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)，近年來，我國不斷加大對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、實驗技術(shù)、人才儲備，開展了一系列優(yōu)秀的理論和實驗研究工作，在實現(xiàn)廣域量子通信所需的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)上均取得了重要的突破，在發(fā)展進程上形成了與歐美先進國家比肩的局面，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，并且啟動了多項前瞻性預(yù)研重大項目，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，人類所進行的大部分對量子力學(xué)原理的檢驗實驗仍停留在較小尺度的實驗室范圍，在更大尺度的范圍中檢驗量子理論的正確性和量子理論預(yù)示的各種奇異現(xiàn)象的真實性，成為未來研究的大勢所趨。
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際應(yīng)用需求，只有基于空間平臺實現(xiàn)星地量子密鑰分配，才能將多個地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)相互連接，真正實現(xiàn)廣域的量子通信網(wǎng)絡(luò)，從而增強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在更深層次上認識量子物理的基礎(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，對于物理學(xué)乃至整個科學(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)實驗衛(wèi)星項目立項伊始制定的科學(xué)目標不謀而合：進行星地高速量子密鑰分發(fā)實驗，并在此基礎(chǔ)上進行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；在空間尺度進行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗的實驗研究。
量子科學(xué)實驗衛(wèi)星將借助于衛(wèi)星平臺，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，促進廣域乃至全球范圍量子通信的最終實現(xiàn)；另一方面將在宏觀大尺度上對量子理論本身展開實驗檢驗，在更深層次上為認識量子物理的基礎(chǔ)科學(xué)問題、拓寬量子力學(xué)的研究方向做出重要貢獻，促進整個物理學(xué)的發(fā)展。
圍繞實現(xiàn)上述重大科學(xué)目標，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星將系統(tǒng)性地對量子科學(xué)實驗、航天衛(wèi)星平臺、星上有效載荷和地面科學(xué)終端進行研究，開展衛(wèi)星平臺和有效載荷的關(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。
四大實驗
為實現(xiàn)科學(xué)目標，需借助于衛(wèi)星平臺，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)四項重要的科學(xué)實驗。
1.星地高速量子密鑰分發(fā)實驗
星地高速量子密鑰分發(fā)實驗的目的是在高精度捕獲、跟蹤、瞄準系統(tǒng)的輔助下，在實現(xiàn)地面與衛(wèi)星之間建立超遠距離的量子信道的基礎(chǔ)上，進行衛(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)，實現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間以量子密鑰為核心的絕對安全的保密通信試驗，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)。具體實驗方案為：
發(fā)射端按照誘騙態(tài)方案，隨機偏振編碼單光子信號，接收端隨機選擇兩組偏振基矢進行測量，并記下所測的結(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)典通道上討論測量時用的是哪組基，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。
如果這個校驗序列的出錯率在正常范圍內(nèi)，那就說明整個序列是安全的，并不存在竊聽，這時雙方即可將保留的與偏振態(tài)對應(yīng)的隨機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安全的最終碼。此時接收端和發(fā)射端之間就共享了一串絕對安全的隨機數(shù)序列（密鑰）。
量子密鑰產(chǎn)生后，通信雙方即可進行保密通信。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)證明是絕對無法破譯的，而密鑰的生成過程也是絕對安全的，因此整個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)實驗
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。這一實驗將在實現(xiàn)高速星地量子密鑰分發(fā)的基礎(chǔ)上，與兩個光學(xué)地面站及其附屬的兩個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)。
具體實驗方案為：在地面建立兩個光纖量子通信網(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，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，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安全的量子密鑰。通過這樣的方式就能夠?qū)蓚�分隔遙遠的地面光纖網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)通，真正實現(xiàn)廣域覆蓋量子通信網(wǎng)絡(luò)。
3.星地量子糾纏分發(fā)實驗
衛(wèi)星上的量子糾纏光源同時向兩個地面站分發(fā)糾纏光子，在完成量子糾纏分發(fā)后，對糾纏光子同時進行獨立的量子測量。通過對千公里量級量子糾纏態(tài)的觀測，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗的實驗研究。
完成星地量子糾纏分發(fā)有兩種主要的實驗方案：第一種方案是量子信源產(chǎn)生一對偏振糾纏光子，一個光子在本地測量，另一個通過發(fā)射裝置傳送給接收端，分別用不同的角度的基矢對信號光進行相互獨立的測量，并記錄測量結(jié)果。將測量結(jié)果代入Bell不等式，檢驗在這種情況下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上，同時向兩個地面站進行分發(fā)，在完成量子糾纏分發(fā)后，對糾纏光子同時進行獨立的Bell態(tài)測量，檢驗Bell不等式的破缺情況。對于兩種方案，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行Bell不等式破缺檢驗，具有重大的科學(xué)意義。
然而，由于需要從空間平臺向地面發(fā)射糾纏光子對，糾纏光源需要放置在空間平臺上，這就對糾纏光源的亮度和穩(wěn)定性提出了嚴格的要求。同時，由于雙向分發(fā)，對于降低信道衰減以及空間平臺ATP系統(tǒng)跟瞄精度也提出了更高的要求，這也將導(dǎo)致對空間平臺提出了更多系統(tǒng)資源的要求。
4.地星量子隱形傳態(tài)實驗
量子隱性傳態(tài)是一種全新的通信方式，是量子網(wǎng)絡(luò)與量子計算的基本過程。地星量子隱形傳態(tài)實驗將在量子存儲的幫助下，探索衛(wèi)星與地面之間遠距離的真正意義及量子隱形傳態(tài)的可行性，研究爭取在類空間條件下完成量子力學(xué)非定域性的實驗檢驗。具體實驗方案如下：
地面量子信源產(chǎn)生一對糾纏光子，其中一個通過地面發(fā)射端傳送給空間量子通信平臺，另一個放入量子存儲器中存儲起來。空間量子通信平臺將接收到的光子態(tài)和未知量子態(tài)進行聯(lián)合Bell態(tài)測量，同時將測量結(jié)果通過經(jīng)典信道傳送給地面站。
地面站將另一個糾纏光子從量子存儲器中讀取出來，并根據(jù)空間量子通信平臺的測量結(jié)果進行相應(yīng)的幺正變換，從而得到空間量子通信平臺的未知量子態(tài)。通過這樣的未知量子態(tài)隱形傳遞過程，可以驗證量子力學(xué)的非定域性。
意義非凡
面向既定科學(xué)目標，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)四項科學(xué)實驗，不但具有顯著的科學(xué)意義，有助于產(chǎn)生新的科學(xué)機遇，開拓新的科學(xué)前沿；更具備實用的現(xiàn)實作用，將對國家信息安全的切實保障具有關(guān)鍵的意義。
在科學(xué)層面，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星將使我國在國際上首次實現(xiàn)星地量子通信，將通過衛(wèi)星平臺的中轉(zhuǎn)實現(xiàn)地球上相距遙遠的兩個區(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，并將快速推進廣域量子通信的實用化率先在我國得以實現(xiàn)，使我國在激烈的國際競爭中搶占主動權(quán)，在量子通信技術(shù)實用化和產(chǎn)業(yè)化整體水平上保持和擴大國際領(lǐng)先的地位，實現(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)檢驗實驗，取得一系列具有國際顯示度的科學(xué)成果和突破，大大推進人類對大尺度范圍量子力學(xué)規(guī)律的認識，帶動我國量子物理整體水平的大幅度提升。
量子科學(xué)實驗衛(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試和應(yīng)用平臺：將促進空間光跟瞄、空間微弱光探測、空地高精度時間同步、小衛(wèi)星平臺高精度姿態(tài)機動、高速單光子探測等技術(shù)的發(fā)展，形成自主的核心知識產(chǎn)權(quán)；在衛(wèi)星平臺上所進行的大尺度量子力學(xué)檢驗實驗也將有可能產(chǎn)生重大的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)，深化人類對量子物理本質(zhì)的認識；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，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，帶動廣域量子通信相關(guān)各方面整體發(fā)展。
在實用化方面，基于衛(wèi)星平臺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現(xiàn)，是量子通信技術(shù)走向廣域乃至全球范圍實用化進程中必須經(jīng)歷的重要步驟和一個重要的里程碑，對于國家在量子通信技術(shù)領(lǐng)域占領(lǐng)制高點和國家信息安全的切實保障具有關(guān)鍵的意義，將為我國量子通信產(chǎn)業(yè)標準的制定和參與國際標準的制定提供技術(shù)支撐、打下堅實的基礎(chǔ)。
實用化廣域量子通信技術(shù)的實現(xiàn)和成熟也將帶動我國光器件、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，拉動我國相關(guān)領(lǐng)域的科研內(nèi)需和生產(chǎn)力。■