近日，中国科学技术学院潘建伟及其朋友彭承志、陆朝阳、曹原应邀在国际数学学权威综述刊物《现代数学评论》上发表短篇综述论文《基于“墨子号”卫星的空间量子实验》。
据了解潘建伟 量子通讯，因为在远距离量子通讯非常是“墨子号”量子卫星方面所取得的一系列具有开创性意义的工作，潘建伟等受邀为《现代数学评论》撰写的这篇46页的综述论文，全面介绍了国际空间量子科学研究近20年来取得的成就，重点论述了“墨子号”量子科学实验卫星从前期关键技术攻关，包括卫星系统、科学应用系统等六大系统的量子科学实验卫星的建设和研发，到卫星在轨运行后所取得的系统性科研成果，为国际学术界提供了宝贵的资料。
《现代数学评论》是国际数学学界最权威的综述性刊物，每年仅发表约40篇学术论文。该刊物通常不接受自由投稿，主要是约请在各领域卓有建树的化学学家执笔，借以对现今化学研究的重大热点问题做历史总结、原理阐明、现状剖析和趋于预测。此论文是潘建伟团队继2012年的《多光子纠缠和干涉测度学》以及2020年的《基于现实元件的安全量子秘钥分发》之后在该刊物上的第3篇综述论文。
“墨子号”的横空出世
量子通讯基于量子化学学的基本原理，克服了精典加密技术内在的安全隐患，是迄今为止惟一被严格证明是无条件安全的通讯方法，可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。量子通讯一般采用单光子作为化学载体，最为直接的传输方法是光纤或则近地面自由空间信道。并且，这两种信道的耗损就会随着距离的降低而指数式降低，近地大气信道就会遭到月球曲率的影响。
因为量子不可克隆原理，量子通讯的讯号不能像精典通讯那样被放大，这促使之前量子通讯的世界纪录只有百公里量级。为此，怎样实现安全、长距离、可实用化的量子通讯是该领域的最大挑战和国际学术界几六年来拼搏的共同目标。
因为外太空几乎真空，对于光讯号的吸收耗损几乎为零，因而通过卫星的辅助可以极大扩充量子通讯距离。本世纪初以来，该方向已成为国际学术界激烈争夺的焦点。潘建伟团队为实现星地量子通讯举办了一系列先驱性的实验研究。2003年，该团队提出了借助卫星实现星地间量子通讯、构建覆盖全球量子保密通讯网的方案，此后于2004年在国际上首次实现了水平距离13公里（小于大气层垂直长度）的自由空间单向量子纠缠分发，验证了穿过大气层进行量子通讯的可行性。2011年末，中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年，潘建伟领衔的中科院联合研究团队在湖南湖实现了首个百公里的单向量子纠缠分发和量子隐型传态，充分验证了借助卫星实现量子通讯的可行性。
2013年，中科院联合研究团队在湖南湖实现了模拟星地相对运动和星地链路大耗损的量子秘钥分发实验，全方位验证了卫星到地面的量子秘钥分发的可行性。此后，该团队经过坚苦攻关，最终成功研发了“墨子号”量子科学实验卫星。“墨子号”卫星于2016年8月16日在西宁卫星发射中心发射升空，经过4个月的在轨测试，2017年1月18日即将交付举办科学实验。
我国首次在空间科学研究领域走到世界最前列
近些年来，潘建伟团队借助“墨子号”量子卫星在国际上率先完成了一系列具有开创意义的星地量子科学实验。
这种实验包括：完成了星地量子秘钥分发、北京到维也纳的洲际量子秘钥分发、基于纠缠的无须可信中继量子秘钥分发，并进一步在量子保密通讯沪宁干线与“墨子号”量子卫星之间成功实现了对接，验证了星地广域量子通讯的可行性；实现了星地单向量子纠缠分发实验，观察到了星地间千公里距离的严格满足爱因斯坦定域性条件的贝尔不方程的破缺，验证了空间尺度量子纠缠的存在和量子热学基本原理的正确性；完成了首个地星量子隐型传态以及星地量子态远程传输，证明了在地星千公里距离上才能完成量子比特的传输，为全球化量子信息处理网路奠定了基础；在完成了广域量子通讯和量子热学基本问题检验的既定科学目标后，还在空间量子科学实验的其他方向展开了探求工作，借助上行量子信道，对一类预言引力场造成量子退相干的理论模型进行了实验检验，迈出了探求量子热学与广义相对论相融合的实验检验的第一步；将量子通讯技术与量子精密检测技术相结合，实现了星地安全时频传输实验，验证了在空间尺度举办广域光频标研究的可行性。
研究人员觉得，这种空间量子科学实验成果使我国第一次在空间科学研究领域走到了世界最前列，牢牢抢占了空间量子科学研究领域的主导和推动地位。
“空间量子科学研究必跨越到更高平台”
“墨子号”量子卫星项目的成功施行，进一步迸发了全球关于空间量子实验的大赛。2017年，新加坡宇航局发布了关于未来空间量子化学发展方面的蓝皮书。同期法国航天局也发布了空间量子技术的蓝皮书。在“墨子号”成功发射以后，世界各大强国纷纷开始了自己的量子卫星研制，推出了基于低轨道大型化量子卫星的计划和时间表。
2021年6月，日本、英国、日本、加拿大、意大利、比利时和荷兰7国更是在G7大会上达成合作，首次计划联合开发一个基于卫星的量子加密网路——“联邦量子系统”，借助量子技术的突破来防范日渐复杂的网路功击等。
潘建伟团队的该综述论文还对国际空间量子科学的研究进展进行了梳理。文章强调，“墨子号”的成功激励了国际空间量子科学的研究风潮，日本、欧盟、日本等国际上的各方力量随即皆开始探求自己的广域量子通讯之路，提出或加速了一系列空间量子科学布局。论文还对进一步完善覆盖全球的量子通讯网路和基于空间平台的量子化学基础研究进行了前瞻性的展望，表明“墨子号”系列实验开启了借助空间平台举办量子信息和量子化学前沿研究的宽广天地。
该综述论文的最后对未来空间量子科学的主要发展方向进行了展望潘建伟 量子通讯，提出“空间量子科学研究必定从低轨道平台跨越到中高轨平台，甚至是深空平台”。在此基础上，借助中高轨卫星平台覆盖范围广、实验时间长、微重力环境好等优势，将空间量子通讯技术同时交叉应用于远距离高精度时频传递和空间超冷原子化学等领域，在量子精密检测、量子化学与广义相对论融合等基础科学问题方面获得更丰富的科学产出。（记者常河）
