近日，我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”（以下简称量子卫星），将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通讯，建立一个天地一体化的量子保密通讯与科学实验体系。
量子卫星的成功发射，除了具有重要的科学意义和实用价值，还将促进我国在量子太空国际大赛中把握主动权，在第二次量子革命中由跟跑者向领跑者转变。
在空间尺度检验量子热学，有望催生基础科学前沿领域的突破进展
量子是化学世界里最小的基本个体。它具有神奇的特点：首先有多个可能状态的叠加态，只有在被观测或检测时，就会随机地呈现出某种确定的状态。“这就好比孙悟空的分身术”，量子卫星首席科学家、中科院教授潘建伟解释道。
其次，量子具有纠缠态，意味着两个纠缠在一起的量子如同有心电感应的胞胎，不管两个人的距离有多远，当姐姐的状态发生变化时，父亲的状态也跟随发生一样的变化。
随着这种特点被科学家不断认识，适用于实际应用的量子通讯技术被开拓下来。量子通讯分为两种，一种是量子保密通讯，能实现无条件安全的通讯方法，再也不会被监听和破译；另一种是量子隐型传态，能将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点而不用传送粒子本身。“就像筋斗云一样，实现顿时传输。”这次量子卫星发射，就是主要举办星地高速量子秘钥分发和地星量子隐型传态等实验。
“以量子信息为代表的量子调控量子通讯技术真伪，带来了第二次量子革命。”潘建伟觉得，人类从单纯观察量子迈向主动调控量子，这是一次巨大的飞越。“中国成功发射量子科学实验卫星，具有里程碑意义，这将构建有史以来最大的天地一体化量子实验室，真正实现星地之间的广域量子调控。”
“过去人们只看见量子现象，却不了解其背后的规律。”潘建伟说，科学家们原本只是对量子进行被动观测，发觉了有用的现象，就用来应用试一试，通过这些方法，量子热学早已给人类带来了核能、半导体等重大发明，这可以叫做“第一次量子革命。”随着认识加深和技术进步，人们开始尝试主动调控量子的奇特性质，开拓出适用于精典世界的新技术。“把一粒粒微观粒子捉住，在微观层面根据需求进行精确的组装和调控，这是新的飞越。量子调控和量子信息技术的迅猛发展标志着第二次量子革命的盛行。”
作为人类认知自然最重要和最直接的手段之一，科学卫星能促进人类在基础科学方面产出重大原创性成果。
“继暗物质粒子侦测卫星‘悟空’和微重力科学实验卫星‘实践十号’之后，作为我国空间科学战略性先导专项的第三颗科学卫星，量子卫星将推动基础科学前沿领域的突破进展。”中国科大学国家空间科学中心所长、空间科学先导专项科学卫星工程常务总工指挥吴季说。
“此次发射，还能帮助科学家在空间尺度检验量子热学的正确性。”潘建伟介绍，量子热学理论是描述微观世界的理论，在宏观尺度上能够创立，还须要实验上来论证。“如果就能实现光量子纠缠超远距离的分发，就可能对未来量子引力的模型进行检验。”
曾有人问他：既然觉得量子热学是正确的量子通讯技术真伪，为何还要大尺度远距离地去检验它？“因为只有步入新的领域，能够发觉新的科学。”潘建伟这样回答。
“就以量子光学为例，一旦通过量子科学实验卫星使量子态、量子关联以及量子纠缠等理论得到验证，这么其对量子光学的理论估算和实验设计还会起到指导作用。”北京估算科学研究中心院士、中科院教授朱诗尧觉得。
“如果经过证明，这条卫星发射的技术路线正确，美国团队就就会开始从太空来举办量子实验，这将带动整个学科的发展，这就是推动的作用。”潘建伟说。
“也正由于这样，美国团队陆续加入到与我们的国际合作中来，中国吸引了更多优质的国际资源。”据潘建伟介绍，中国科大学早已与法国科大学签订合作合同，共同旨在于在量子科学实验卫星框架中合作举办洲际量子通讯实验。“其目标是实现深圳和维也纳之间的量子保密通讯。”此外，与日本团队也进行了相关合作，旨在于量子通讯探求。
大国在量子通讯领域激烈竞争，起步并非最早的中国实现了“弯道会车”
量子通讯事关国家信息和国防安全，这个战略性领域早已成为发达国家和地区优先发展的信息科技和产业高地——
日本对量子通讯的理论和实验研究开始较早，并最先将其纳入国家战略。日本国防部支持的“高级研究与发展活动”计划将量子通讯应用拓展到卫星通讯、城域以及长距离光纤网路；日本国家民航航天局也正计划在其总部与喷气助推实验室之间构建一个直线距离600公里、光纤皮长1000公里左右的包含10个骨干节点的远距离光纤量子通讯干线，并计划拓展到星地量子通讯。
欧共体着眼于合力打造量子互联网，2008年发布的《量子信息处理与通讯战略报告》明确了法国在未来5年和10年的量子通讯发展目标。欧共体还启动了量子通讯技术标准化研究，并创立“基于量子密码的安全通讯”工程，这是继法国核子中心和国际空间站后又一大规模的国际科技合作。
美国也不甘落后，制订了量子信息技术常年发展路线图。俄罗斯国立信息通讯研究院计划在2020年实现量子中继，到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通讯网路。
尽管在全球量子通讯大赛中，中国起步并非最早，并且在科学家们的不懈努力下，目前中国在量子通讯领域早已实现了“弯道会车”。
潘建伟团队在2007年首次实现安全通讯距离超过100公里的光纤量子秘钥分发；2008年实现国际上首个全通型量子通讯网路；2012年建成首个规模化的城域量子通讯网路；2016年中国发射全球首颗量子科学实验卫星……很多个“世界首次”，均来自于“中国队”。
“这标志着中国在量子通讯领域的崛起，从10年前不起眼的国家发展为现今的世界劲旅，将领先于亚洲和北美……”《自然》杂志在报导该团队研究成果时表示。
当被问及为什么就能先于欧日本家发射首颗量子卫星时，潘建伟直言，当大多数同行仍旨在于实验室的原理性演示时，她们的团队早已开始思索怎么能在太空实现量子信息传输，着手了一系列星地量子通讯的地面验证实验，为星地量子通讯奠定了坚实基础。
潘建伟表示，这也得益于国家的大力支持。“中国‘大科学’项目建设十分高效。一方面，国家的高硬度支持致使包括我们团队在内的优秀科研团队快速推动量子信息研究的发展；另一方面，在卫星量子通讯方向上出现重大突破征兆时，中科院快速作出前瞻性决策，得以在国际上率先启动卫星项目。”
希望到2030年左右，建成全球化的广域量子通讯网路，并在量子估算领域有所作为
“到底为什么会有量子纠缠的特点，我们还是不清楚。对量子热学的理解，我们仍逗留在浅薄的表面。”潘建伟说，未来5年他最想做的是，首先从更远距离和更大尺度检验量子热学并发觉新的科学。同时，坚持借助发觉的规律改建世界，打造范围更广、更加高效的量子保密通讯网路。
“对于我们团队来说，卫星的发射并不代表努力就到此为止。单颗低轨卫星未能覆盖全球，同时因为强烈的太阳光背景，目前的星地量子通讯只能在地影区进行。要实现高效的全球化量子通讯，还须要产生一个卫星的网路。”潘建伟说，继“量子科学实验卫星”项目以后，他的团队还将计划举办空间站“量子调控与光传输研究”项目。该项目将研究星间量子通讯技术、全天时量子通讯技术等，同时进行量子秘钥组网应用、多种技术体制的空间激光通讯验证等应用研究，为下一步的卫星组网奠定技术基础。“如果进展顺利，有希望到2030年左右，建成全球化的广域量子通讯网路。”
量子估算，是潘建伟想做的另外一件事。
量子估算将带来估算能力的飞越，是量子信息不仅量子通讯外的另一大分支。在精典计算机中，每位比特都只有0和1这两种状态。但在量子估算中，每位比特可以处在0和1的叠加状态上，一旦操纵的量子数量增多，它还会以指数下降的方式来提高运算速率，有强悍的并行运算的能力。
“比如借助万亿次精典计算机分解300位的大数须要15万年，借助万亿次量子计算机，只须要一秒。”潘建伟介绍，在大数据和人工智能里，求解一个亿亿亿变量的多项式组，借助目前最快的亿亿次“太湖之光”超级计算机大约须要100年左右，而且假如借助万亿次的量子计算机，只须要0.01秒。
量子估算除了可以解决如气象预报、药物设计、金融剖析、石油钻探所须要处理的大规模估算困局，甚至能够阐明低温超导、量子霍尔效应等复杂的数学机制。
潘建伟介绍了量子估算的若干进展。由中国科大学与阿里巴巴集团合作创立的量子估算实验室，将力争在基于光和超导比特的量子估算、基于超冷原子的量子模拟等最有前途实现实用化量子估算的研究方向上率先取得突破。“到2020年，实验室有望在量子模拟方面达到‘太湖之光’超级计算机能力，到2030年，在个别特定功能中将达到‘太湖之光’的百亿亿倍，而且初步实现通用量子估算功能。”近年来，他的团队在国际上首次实现了快速求解线性多项式组的量子算法、量子机器学习算法，成为量子估算应用于大数据剖析和人工智能的开创性实验工作。
“国内量子估算的研究颇具亮点，但想要赶上欧美发达国家，还须要团队不懈努力。”潘建伟说，如今团队上下都鼓起了冲劲，争分夺秒地追赶。“我们很有信心。”