2016年8月16日，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射升空，我國在量子通信上邁出了重要一步。今年是“墨子號(hào)”發(fā)射八周年，隨著“墨子號(hào)”、“濟(jì)南一號(hào)”等量子衛(wèi)星的相繼發(fā)射，太空中的“量子星座”逐漸醞釀成型，構(gòu)建覆蓋全球、全天時(shí)服務(wù)的量子通信網(wǎng)絡(luò)將不再是夢想。
世界首顆量子衛(wèi)星為什么要以“墨子”命名？“墨子號(hào)”在太空中完成了哪些實(shí)驗(yàn)任務(wù)？“量子星座”的構(gòu)建，又會(huì)怎樣影響未來？
▲2016年8月16日，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空
01
從“量子”到“墨子”
“墨子號(hào)”是我國自主研制的國際首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星被命名為“墨子號(hào)”，其背后大有深意。
墨子是春秋末期戰(zhàn)國時(shí)期著名的思想家、政治家、科學(xué)家、軍事家，墨家學(xué)派創(chuàng)始人和主要代表人物。在戰(zhàn)國時(shí)期的諸子百家中，墨子對(duì)科學(xué)技術(shù)最為重視。他在宇宙論、數(shù)學(xué)、物理學(xué)和機(jī)械制造方面都取得了一定成就。
▲墨子和“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星
歷史記載，墨子早在2000多年前就進(jìn)行了光學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)光沿直線傳播，繪制了凹面反射鏡光聚焦、小孔成像等光路圖，還測試計(jì)算了水的折射率?！熬拖駠庥匈だ孕l(wèi)星、開普勒望遠(yuǎn)鏡一樣，以中國古代偉大科學(xué)先賢的名字來命名全球首顆量子衛(wèi)星，可以增強(qiáng)我國的文化自信和科研自信?！薄澳犹?hào)”首席科學(xué)家潘建偉說。
02
“墨子號(hào)”：小身板，大功用
▲“墨子號(hào)”衛(wèi)星
“墨子號(hào)”雖然體型小、重量輕，卻承擔(dān)著完成空間大尺度量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要任務(wù)。
作為一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，“墨子號(hào)”在發(fā)射前便收到了“三大科學(xué)任務(wù)”，即星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)、星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)和地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。
星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)是利用“墨子號(hào)”實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)量子糾纏分發(fā)。量子糾纏分發(fā)就是將一對(duì)相互糾纏的粒子分發(fā)到兩地，隨后，用貝爾不等式判斷這對(duì)粒子是否還相互糾纏。在此之前，潘建偉團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在青海湖實(shí)現(xiàn)了首次百公里級(jí)的量子糾纏分發(fā)。在此次千公里級(jí)糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)中，“墨子號(hào)”利用攜帶的每秒可產(chǎn)生800萬對(duì)糾纏光子的量子糾纏源，向地面上的觀測站發(fā)送其中一個(gè)糾纏光子，成功建立了讓“墨子號(hào)”和地面站共享的量子糾纏，完成了星地量子糾纏分發(fā)。
▲星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)
星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)是指地面的觀測站接收“墨子號(hào)”發(fā)射出的攜帶信息的光子，并對(duì)其進(jìn)行測量、獲得信息。經(jīng)過對(duì)信息的一系列比對(duì)、篩選，使得“墨子號(hào)”和地面觀測站共享安全密鑰，以此來加密和解密信息。
▲星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)
地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)是指“墨子號(hào)”在距地500-1400千米的太空中，接收地面觀測站發(fā)射的光子，以驗(yàn)證衛(wèi)星與地面之間遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)的可行性，成功地展示了構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的可能性。
▲地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)
發(fā)射入軌后的一年時(shí)間內(nèi)，“墨子號(hào)”圓滿完成了全部預(yù)定科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)：在國際上首次完成千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)、完成了空間尺度下嚴(yán)格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)、國際上首次成功實(shí)現(xiàn)從衛(wèi)星到地面的千公里級(jí)量子密鑰分發(fā)和地面到衛(wèi)星的千公里量子隱形傳態(tài)。
03
“墨子號(hào)”與量子星座
2022年7月27日，世界首顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號(hào)”成功發(fā)射升空?！皾?jì)南一號(hào)”衛(wèi)星的重量僅是“墨子號(hào)”的六分之一，更小更輕便的同時(shí)，也大大降低了研制經(jīng)費(fèi)與時(shí)間周期。
▲2022年7月27日，世界首顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號(hào)”成功發(fā)射升空
隨著太空中的量子衛(wèi)星大家庭成員不斷增加，未來量子衛(wèi)星將進(jìn)一步組成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建由高、中、低軌道衛(wèi)星組成的“量子星座”。潘建偉院士預(yù)計(jì)，到2025年，中國將發(fā)射兩到三顆低軌道衛(wèi)星，它們將與2027年發(fā)射的1萬公里級(jí)的高軌量子衛(wèi)星組成星座，并與基于光纖的量子通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提供全球量子網(wǎng)絡(luò)服務(wù)?！斑@有望在未來5到10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)，我們將提供一些真正實(shí)用的東西。”
▲“量子星座”
相信在不遠(yuǎn)的未來，經(jīng)由“量子星座”實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的量子通信將不再是夢！
來源：墨子沙龍