潘建偉：深度解讀量子通信衛(wèi)星

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1、潘建偉：深度解讀量子通信衛(wèi)星中國成功發(fā)射全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星2016年8月16日北京時間凌晨1時40分，全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子”號在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，標志著我國在量子通信領(lǐng)域全面領(lǐng)先于世界?！澳犹枴绷孔油ㄐ判l(wèi)星發(fā)射期間，《環(huán)球科學》專訪中國量子通信領(lǐng)軍人物、空間量子科學實驗衛(wèi)星計劃的首席科學家潘建偉院士，為讀者深度解讀“墨子號”潘建偉：深度解讀量子通信衛(wèi)星中國成功發(fā)射全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星2016年8月16日北京時間凌晨1時40分，全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子”號在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，標志著我國在量子通信領(lǐng)域全面領(lǐng)先于世界。“墨

2、子號”量子通信衛(wèi)星發(fā)射期間，《環(huán)球科學》專訪中國量子通信領(lǐng)軍人物、空間量子科學實驗衛(wèi)星計劃的首席科學家潘建偉院士，為讀者深度解讀“墨子號”?！董h(huán)球科學》：能否簡單解釋一下什么是量子通信？潘建偉：這是目前唯一得到嚴格證明的無條件安全的通信手段。傳統(tǒng)的信息安全依賴于計算的復雜，一旦擁有足夠強大的計算能力，所有依賴于計算復雜度的傳統(tǒng)加密算法原則上都會被破解。量子通信的安全性基于量子力學基本原理，單光子的不可分割性和量子態(tài)的不可復制性從原理上保證了信息的不可竊聽和不可破解。只要量子力學是正確的，量子通信的安全性就嚴格得到保障，與計算能力無關(guān)，因此可從根本上、永久性地解決信息安

3、全問題。在城市范圍內(nèi)，通過光纖構(gòu)建城域量子通信網(wǎng)絡(luò)是最有效的手段。我國在實用化城域量子通信技術(shù)方面處于國際領(lǐng)先，在合肥、濟南、上海、北京等地都建成或即將建成規(guī)?；某怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，并初步應用于國防、政務、金融等領(lǐng)域的信息安全。然而，由于光纖的固有損耗，按照目前的技術(shù)，光纖中點對點的量子通信最多只能達到百公里量級。另一方面，由于大氣層對光子的吸收很有限，將光子送到外太空再通過衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)，是實現(xiàn)數(shù)千公里乃至全球化量子通信的有效手段?！董h(huán)球科學》：您是如何產(chǎn)生用衛(wèi)星來試驗量子通信的想法，又經(jīng)過了哪些準備工作？潘建偉：2003年起，在大多數(shù)同行仍致力于在實驗室里實現(xiàn)量子通信

4、的時候，我就想到為了真正實現(xiàn)遠距離量子通信，可能需要衛(wèi)星。2004年底，我們團隊在地面實驗中驗證，量子狀態(tài)在穿越整個豎直大氣層后還能夠很好存活，證實了星地量子通信的可能性。此后，在中科院兩個知識創(chuàng)新工程重大項目的支持下，潘建偉團隊和中科院其他單位合作，開展了一系列的驗證實驗，充分驗證了星地量子通信的可行性。2011年，中科院正式立項量子科學實驗衛(wèi)星專項?！董h(huán)球科學》：“墨子”號發(fā)射后，將會承擔哪些研究工作？研究團隊有什么樣的分工？潘建偉：量子科學實驗衛(wèi)星工程將研制及發(fā)射1顆量子科學實驗衛(wèi)星，建設(shè)以4個量子通信地面站（北京興隆、烏魯木齊南山、青海德令哈、云南麗江）和1個

5、空間量子隱形傳態(tài)實驗站（西藏阿里）為核心的空間量子科學實驗系統(tǒng)。量子衛(wèi)星發(fā)射入軌后將進行3個月左右的在軌測試，然后轉(zhuǎn)入在軌運行階段，將在首席科學家潘建偉的指揮下，完成一系列具有國際領(lǐng)先水平的科學實驗任務。主要科學目標為：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完備性檢驗的實驗研究。烏魯木齊南山站和北京興隆站與量子科學實驗衛(wèi)星配合，完成星地高速量子密鑰分發(fā)實驗和建立廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)演示實驗；量子科學實驗衛(wèi)星飛過烏魯木齊南山站與青海德令哈

6、站，青海德令哈站與云南麗江站之間時，可在兩個地面站之間進行星地量子糾纏分發(fā)實驗。量子科學實驗衛(wèi)星飛過阿里量子隱形傳態(tài)站上空時，實驗站向量子科學實驗衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，完成星地量子隱形傳態(tài)實驗。量子科學實驗衛(wèi)星的研制集合了中科院系統(tǒng)的優(yōu)勢研究力量：中國科學技術(shù)大學負責科學應用系統(tǒng)的研制，中國科學院上海微小衛(wèi)星工程中心抓總研制衛(wèi)星系統(tǒng)，中國科學院上海技術(shù)物理研究所聯(lián)合中國科學技術(shù)大學研制有效載荷系統(tǒng)，中國科學院國家空間科學中心擔任工程總體并牽頭負責地面支撐系統(tǒng)的研制、建設(shè)和運行。《環(huán)球科學》：量子通信衛(wèi)星有4個重要單元：量子密鑰通信機、量子糾纏發(fā)射機、量子糾纏源、量子試驗控

7、制與處理機，能否介紹一下這些單元以及其他部分的作用原理和功能？潘建偉：這4個單元其實就是量子衛(wèi)星的有效載荷。量子密鑰通信機實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)實驗的密鑰產(chǎn)生發(fā)射、量子隱形傳態(tài)信號接收探測、糾纏信號發(fā)射；量子糾纏源為星上糾纏光子對產(chǎn)生源頭，為糾纏分發(fā)實驗核心；量子發(fā)射機實現(xiàn)糾纏信號發(fā)射、量子密鑰分配實驗密鑰產(chǎn)生和發(fā)射；量子實驗控制與處理系統(tǒng)實現(xiàn)密鑰分發(fā)實驗的后端處理，最后提取最終密鑰，此外實現(xiàn)糾纏實驗和隱形傳輸實驗的數(shù)據(jù)分析處理。量子密鑰通信機和量子糾纏發(fā)射機是量子衛(wèi)星對地直接進行量子通信的設(shè)備，需要一些特別的技術(shù)。這其中最重要的就是與地面站的精確對準。衛(wèi)