2016年8月16日，“墨子號”量子科學實驗衛(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”發(fā)射八周年，隨著“墨子號”、“濟南一號”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，構建覆蓋全球、全天時服務的量子通信網絡將不再是夢想。
世界首顆量子衛(wèi)星為什么要以“墨子”命名？“墨子號”在太空中完成了哪些實驗任務？“量子星座”的構建，又會怎樣影響未來？
▲2016年8月16日，世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”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”是我國自主研制的國際首顆量子科學實驗衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星被命名為“墨子號”，其背后大有深意。
墨子是春秋末期戰(zhàn)國時期著名的思想家、政治家、科學家、軍事家，墨家學派創(chuàng)始人和主要代表人物。在戰(zhàn)國時期的諸子百家中，墨子對科學技術最為重視。他在宇宙論、數學、物理學和機械制造方面都取得了一定成就。
▲墨子和“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星
歷史記載，墨子早在2000多年前就進行了光學實驗，發(fā)現光沿直線傳播，繪制了凹面反射鏡光聚焦、小孔成像等光路圖，還測試計算了水的折射率?！熬拖駠庥匈だ孕l(wèi)星、開普勒望遠鏡一樣，以中國古代偉大科學先賢的名字來命名全球首顆量子衛(wèi)星，可以增強我國的文化自信和科研自信?！薄澳犹枴笔紫茖W家潘建偉說。
02
“墨子號”：小身板，大功用
▲“墨子號”衛(wèi)星
“墨子號”雖然體型小、重量輕，卻承擔著完成空間大尺度量子科學實驗的重要任務。
作為一顆量子科學實驗衛(wèi)星，“墨子號”在發(fā)射前便收到了“三大科學任務”，即星地量子糾纏分發(fā)實驗、星地量子密鑰分發(fā)實驗和地星量子隱形傳態(tài)實驗。
星地量子糾纏分發(fā)實驗是利用“墨子號”實現千公里級量子糾纏分發(fā)。量子糾纏分發(fā)就是將一對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粒子是否還相互糾纏。在此之前，潘建偉團隊已經在青海湖實現了首次百公里級的量子糾纏分發(fā)。在此次千公里級糾纏分發(fā)實驗中，“墨子號”利用攜帶的每秒可產生800萬對糾纏光子的量子糾纏源，向地面上的觀測站發(fā)送其中一個糾纏光子，成功建立了讓“墨子號”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)實驗
星地量子密鑰分發(fā)實驗是指地面的觀測站接收“墨子號”發(fā)射出的攜帶信息的光子，并對其進行測量、獲得信息。經過對信息的一系列比對、篩選，使得“墨子號”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)實驗
地星量子隱形傳態(tài)實驗是指“墨子號”在距地500-1400千米的太空中，接收地面觀測站發(fā)射的光子，以驗證衛(wèi)星與地面之間遠距離量子隱形傳態(tài)的可行性，成功地展示了構建量子網絡的可能性。
▲地星量子隱形傳態(tài)實驗
發(fā)射入軌后的一年時間內，“墨子號”圓滿完成了全部預定科學實驗任務：在國際上首次完成千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)實驗、完成了空間尺度下嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗、國際上首次成功實現從衛(wèi)星到地面的千公里級量子密鑰分發(fā)和地面到衛(wèi)星的千公里量子隱形傳態(tài)。
03
“墨子號”與量子星座
2022年7月27日，世界首顆量子微納衛(wèi)星“濟南一號”成功發(fā)射升空。“濟南一號”衛(wèi)星的重量僅是“墨子號”的六分之一，更小更輕便的同時，也大大降低了研制經費與時間周期。
▲2022年7月27日，世界首顆量子微納衛(wèi)星“濟南一號”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)星將進一步組成網絡，構建由高、中、低軌道衛(wèi)星組成的“量子星座”。潘建偉院士預計，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1萬公里級的高軌量子衛(wèi)星組成星座，并與基于光纖的量子通信網絡相結合，提供全球量子網絡服務?！斑@有望在未來5到10年內實現，我們將提供一些真正實用的東西?！?/span>
▲“量子星座”
相信在不遠的未來，經由“量子星座”實現全球范圍內的量子通信將不再是夢！
來源：墨子沙龍
