我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”。
中國在量子科學(xué)領(lǐng)域的這一“領(lǐng)跑動(dòng)作”引發(fā)了全世界的關(guān)注，因?yàn)檫@不僅標(biāo)志我國空間科學(xué)研究又邁出重要一步，更有媒體預(yù)測，伴隨著量子信息技術(shù)逐漸走向?qū)嵱没溲苌龅牧孔油ㄐ偶夹g(shù)，被譽(yù)為是繼微電子信息之后，最有可能引發(fā)軍事、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)領(lǐng)域又一次重大革命的關(guān)鍵技術(shù)，將催生量子通信的千億市場，引發(fā)世界新一輪的通信技術(shù)研發(fā)競爭。
2030年建成量子通信網(wǎng)絡(luò) 每戶配一個(gè)密鑰機(jī)
據(jù)中科院院士、清華大學(xué)原子分子納米科學(xué)研究中心主任李家明介紹，量子通信的好處在于保密性強(qiáng)、安全性高。“在量子通信網(wǎng)絡(luò)下，如果有人設(shè)法竊取你的私人通訊，你會(huì)立刻察覺到，這樣就可以啟動(dòng)相應(yīng)的措施保護(hù)個(gè)人的隱私和安全。而在現(xiàn)有的通信技術(shù)手段下，這是無法做到的。”
正因于此，量子通信的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)成為包括歐盟、美國、日本和中國在內(nèi)的各個(gè)大國爭相追逐的目標(biāo)。
據(jù)了解，隨著首顆量子衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)成功，我國還將會(huì)陸續(xù)發(fā)射后續(xù)衛(wèi)星，并結(jié)合未來的空間站項(xiàng)目，開展相關(guān)研究，驗(yàn)證星間、全天時(shí)量子通信的可行性。
“按照規(guī)劃，到2020年，中國將實(shí)現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā);到2030年左右，中國將建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。”潘建偉表示。
量子通信網(wǎng)絡(luò)究竟會(huì)給人類生活帶來哪些改變?中國科學(xué)院的一本有關(guān)量子衛(wèi)星的科普手冊中寫道：如果一個(gè)覆蓋全國甚至是全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成，并且隨著應(yīng)用深入，成本逐漸降低，普通民眾就能廣泛享受量子通信帶來的巨大便利。
比如，隨著技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用普及，可以通過入戶光纖給每家每戶配一個(gè)量子密鑰機(jī)，人們擁有“量子密鑰”手機(jī)的夢想就可變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
一旦有人試圖竊取量子密鑰，使用者就會(huì)知曉，結(jié)合經(jīng)典加密方式就能保證通信的絕對安全。
中國領(lǐng)跑量子太空競賽 有賴于“大科學(xué)”建設(shè)
在全球的量子通信競賽中，中國雖然并不是起步最早的，但是在量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士潘建偉等人不懈努力下，目前中國在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“彎道超車”，并成為首個(gè)將自主研發(fā)的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星送入太空的國家。
事實(shí)上，早在數(shù)年前，星地量子通信的中國夢想就已經(jīng)引發(fā)了世界的關(guān)注。 2012年8月9日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志以封面標(biāo)題形式發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室潘建偉團(tuán)隊(duì)的研究成果：他們在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。
這一成果不僅刷新世界紀(jì)錄，有望成為遠(yuǎn)距離量子通信的“里程碑”，而且為發(fā)射全球首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。該成果入選《自然》雜志公布的“2012年度全球十大新聞亮點(diǎn)”。
中科院院士、中國科學(xué)院物理研究所研究員于淥在接受采訪時(shí)表示， 量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功結(jié)合下半年建成的“京滬干線”，我國將初步構(gòu)建一個(gè)廣域量子通信體系，這會(huì)解決很多實(shí)際的問題，并且為全球性的量子通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建打下基礎(chǔ)，這將是一個(gè)新的突破。
于淥提到的“京滬干線”是由潘建偉團(tuán)隊(duì)牽頭承擔(dān)的世界上第一條遠(yuǎn)距離量子通信保密干線，將于今年下半年開通。“一個(gè)天地一體的全球化量子通信基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建成功后，能為未來的互聯(lián)網(wǎng)提供基于量子通信技術(shù)的安全保障，形成完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈和下一代國家主權(quán)信息安全生態(tài)系統(tǒng)。”潘建偉解釋說。
潘建偉認(rèn)為，能夠領(lǐng)跑國際量子太空競賽，有賴于中國“大科學(xué)”項(xiàng)目建設(shè)的高效性。“實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星量子通信一直是國際上科技強(qiáng)國競相追逐的目標(biāo)。比如，量子信息實(shí)驗(yàn)研究的先驅(qū)者、著名物理學(xué)家AntonZeilinger 研究組以及歐洲眾多的優(yōu)秀研究團(tuán)隊(duì)一直在與歐洲空間局商討建立以國際空間站為平臺(tái)的星地量子通信計(jì)劃。然而，歐空局緩慢的決策機(jī)制使得這一計(jì)劃一再拖延。”
而在我國，一方面，國家的高強(qiáng)度支持使得包括我們團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)快速推進(jìn)量子信息研究的發(fā)展;另一方面，在衛(wèi)星量子通信方向上出現(xiàn)重大突破跡象時(shí)，中科院快速作出前瞻性決策，得以在國際上率先啟動(dòng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”。
“在國家的高強(qiáng)度支持下，我國形成了很強(qiáng)的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)儲(chǔ)備，培育了一批優(yōu)秀的研究團(tuán)隊(duì)，在量子通信、量子計(jì)算等研究方向上產(chǎn)生了一批具有重要國際影響的研究成果。”
在潘建偉看來，中國給予“量子研究”的大力支持是其他國家無法比擬的：2000年以來中國經(jīng)濟(jì)高速增長，國家對科研經(jīng)費(fèi)的投入不斷加強(qiáng)，成為科研創(chuàng)新的黃金時(shí)期。我國政府也高度重視量子信息領(lǐng)域的發(fā)展，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》就將“量子調(diào)控研究”列入科技部四項(xiàng)“重大科學(xué)研究計(jì)劃”之一，中科院、科技部、基金委等科研主管部門對量子信息領(lǐng)域持續(xù)進(jìn)行著前瞻性、戰(zhàn)略性布局。
潘建偉：盼有生之年目睹量子互聯(lián)網(wǎng)的誕生
據(jù)了解，此次成功發(fā)射的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備，突破了一系列高精尖技術(shù)，包括“針尖對麥芒”的星地光路對準(zhǔn)，偏振態(tài)保持與星地基矢校正，量子光源載荷等關(guān)鍵技術(shù)。
潘建偉指出，它的成功研制，不僅是中國量子保密通信領(lǐng)域“殺手锏”技術(shù)研發(fā)的重大突破，實(shí)現(xiàn)了從跟隨創(chuàng)新到引領(lǐng)創(chuàng)新、從集成創(chuàng)新到原始創(chuàng)新的跨越，同時(shí)也是世界量子通信技術(shù)的重要?jiǎng)?chuàng)新，它有望使人類科技發(fā)展史上“最安全的通信手段”具備覆蓋全球的能力。
“量子是人類對自然界的能量最小單位，量子信息研究集多學(xué)科于一體，要想取得突破，必須擁有不同學(xué)科背景的人才。”回憶起剛回國建立實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候，潘建偉表示，當(dāng)時(shí)無論是研究水平還是人才儲(chǔ)備方面，國內(nèi)的基礎(chǔ)都很薄弱。
“因此我們在各國間奔波，與國際先進(jìn)小組保持密切的合作，不斷地取長補(bǔ)短，這是讓團(tuán)隊(duì)得以快速發(fā)展壯大的‘秘方’。潘建偉說，多年來，團(tuán)隊(duì)還一直有針對性地選送學(xué)生出國留學(xué)，把他們送到量子信息研究的優(yōu)秀國際小組加以鍛煉。“近年來，這些年輕人悉數(shù)回國，使得我們的量子研究團(tuán)隊(duì)得到空前壯大，形成了一支特色鮮明、優(yōu)勢互補(bǔ)的年輕研究隊(duì)伍。”
談到衛(wèi)星研制過程中遇到的困難，潘建偉說，各個(gè)載荷系統(tǒng)都遇到了很多難題，難以說哪個(gè)最大。一個(gè)具有代表性的難題是市面上現(xiàn)有的單光子探測器都無法滿足空間的高輻射環(huán)境要求。因?yàn)橛钪嫔渚€會(huì)對探測器的半導(dǎo)體晶格造成損傷，增加晶格缺陷，隨著晶格中缺陷的增多，器件性能出現(xiàn)急劇衰減。
“我們團(tuán)隊(duì)先從基本物理特性入手，在載荷資源和器件本身特性最大允許范圍內(nèi)，提出了通過降低單光子探測器工作溫度、增加探測器屏蔽厚度等技術(shù)可以解決該問題。隨后實(shí)驗(yàn)上經(jīng)過艱苦攻關(guān)，通過歐洲質(zhì)子加速器輻照測試，發(fā)現(xiàn)降低單光子探測器工作溫度和增加探測器屏蔽厚度的技術(shù)可以有效增加單光子探測器在軌工作壽命。”
“對于我們團(tuán)隊(duì)來說，衛(wèi)星的發(fā)射并不代表我們的努力就到此為止。”潘建偉表示，隨著中國科技的迅猛發(fā)展，他相信量子通信將在不到10年的時(shí)間里輻射千家萬戶。
“期盼在我有生之年，能親眼目睹以量子計(jì)算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯(lián)網(wǎng)的誕生。我相信中國科學(xué)家們做得到。”