本报记者 钟慧

8月16日凌晨1时40分，携带世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”的长征二号丁运载火箭在酒泉成功发射。“墨子号”的重要任务是实现卫星和地面之间的量子保密通信，从而构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。此次由“墨子号”、地面接收点形成了到目前为止*大跨度的量子保密通信网络，并将在大空间尺度上检验量子物理基本问题，因此卫星的发射和其后的试验受到全球物理学家的高度关注。

把实验室立于天地之间

将量子保密通信通过卫星实现是由中国科学技术大学常务副校长、量子卫星项目**科学家潘建伟在2003年提出的。“量子保密通信要真正实用化必须在远距离传输中得到验证。”潘建伟认为，为了真正实现远距离量子保密通信，可以考虑用卫星。2005年，潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验，证实光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而初步验证了星地量子保密通信的可行性。

自2007年起，潘建伟团队与中国科学院上海技术物理研究所、上海微小卫星工程中心、中国科学院光电技术研究所等研究机构一道，发展了一系列自由空间量子通信的关键技术，先后实现了百公里级自由空间量子通信、星地量子通信的全方位地面验证等实验，验证了星地量子保密通信的可行性。2011年年底，量子科学实验卫星项目正式立项。

“墨子号”经过5年的研制，今年开始与运载火箭对接。其搭载有量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验控制与处理机等有效载荷，具备两套独立的有效载荷指向机构，通过姿控指向系统协同控制，可与地面上相距千公里量级的两处光学站同时建立量子光链路。

其中*重要的一个载荷叫纠缠源，是实验中发射量子纠缠光的源头，平时实验室中纠缠源的体积巨大，目前研究人员将其小型化以满足卫星搭载要求，这在国际上是**实现，同时也意味着我国在量子通信中已经走到了世界前列。

潘建伟院士在接受媒体采访时表示，通过发射量子卫星，他们建立起有史以来*大的实验室。他说：“量子卫星到地面跨度为500公里，两个接收点之间的距离是1200公里。所以我们的实验室的大小是500乘以1200，是60万平方公里。量子纠缠从前也没有在天上进行过实验，为了保证两个站点能接收很好的信号，我们上天的纠缠源是目前全世界*好的纠缠源。同时我们保证探测器能在宇宙射线的辐照之下，还能很好地存活。”

量子卫星的成功发射和在轨运行，将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际**地位，我国自主研发的量子卫星突破了一系列关键技术，包括高精度跟瞄、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等。通过“墨子号”的通信设备，经过编码的光子将被发射到地面，由地面系统负责接收。

量子卫星的两个激光器必须分别瞄准两个地面站，精度极高，被称为“针尖对麦芒”。中国科学院国家空间科学中心主任吴季说：“一颗卫星对准两个地面站的实验从来没有过，国际上也是**次做这么高精度的跟踪和地面站配合。”

未来两年内，量子科学实验卫星将进行三项科学实验：星地高速量子密钥分发实验、星地量子纠缠分发实验和地星量子隐形传态实验。潘建伟表示：“可能**个实验*容易，后面两个实验可能会困难一点，我们对完成这三类实验，都非常有信心。”

除了量子卫星外，实验还涉及合肥中心和乌鲁木齐南山、北京兴隆、青海德令哈、云南丽江和西藏阿里站五个台站。其中北京的兴隆站、新疆的南山站、青海的德令哈站和云南的丽江站，是四个量子通信地面站，主要参与量子密钥分发和量子纠缠分发这两大项实验。南山和德令哈的1.2米口径望远镜和改造后的兴隆、丽江米级望远镜是核心部分。位于西藏的阿里站则主要配合卫星一起参与第三项量子科学实验——量子隐形传态。

量子信息研究走向实用

传统的通信方式，比如无线、宽带等，好用、速度快，但在信息传输中存在**问题，而量子通信在传输的途径中可以完全确保信息**。近年来，量子通信因其传输高效和****等特点，被认为是下一代通信和计算机技术的支撑性研究。潘建伟认为：“从原理上来说，量子通信是无条件**的通信方式。”由于量子具有不可分割、状态不可克隆的特性，将其作为信息载体就可以实现抵御任何**的密钥分发，进而保证传输内容的****。

随着我国研制的世界首颗量子通信卫星的发射，加上量子保密通信“京沪干线”、“京杭干线”的建成开通，一个“天地一体化”的量子通信网络将初步形成，也意味着自上世纪80年代起，历经30多年的量子信息研究，终于走向实用。

据介绍，量子保密通信“京沪干线”连接北京与上海，贯穿山东济南、安徽合肥等地，是千公里级高可信、可扩展的广域光纤量子通信网络，属世界首例，其建成后可用于金融、政务等领域信息的**传输。

在首颗量子通信卫星发射后，我国还将陆续发射多颗量子卫星，力争在2020年实现欧洲和亚洲之间的洲际量子保密通信，在2030年前后率先建成全球一体化的广域量子保密通信网络。

虽然量子科学实验卫星成功发射，但从长远来看，“要实现全球化量子通信还需要长期的努力，特别是需要多颗卫星的组网”，量子科学实验卫星科学应用系统总师兼卫星系统副总师彭承志表示。也因此，中国以开放的姿态欢迎全球合作。“我们非常高兴地同意了奥地利方的请求，共同就北京到维也纳之间的洲际量子通信进行实验合作，中方并决定向全球开放载荷的相关数据。”潘建伟称。

奥地利量子物理学家斯米德梅耶在接受媒体采访时说：“国际量子物理学界对这个卫星的发射很期待，因为这是**次在大尺度上来检验量子力学基本原理是否正确。”在“墨子号”量子卫星项目中，奥地利和中国的科学家们共同合作攻克难关。“在技术上，这次中国的量子通信卫星上天也是非常高的水平的，因为本次卫星发射上面至少安装了5个以上10个以下的激光器，而且从卫星上发射激光要瞄准地面的红外接收站，这在技术上都是非常高水平的。”斯米德梅耶说。（本报实习生巴一鸣对本文亦有贡献）