2016年8月16日，“墨子號”量子科學實驗衛星成功發射升空，我國在量子通信上邁出了重要一步。今年是“墨子號”發射八周年，隨著“墨子號”、“濟南一號”等量子衛星的相繼發射，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星“墨子號”在酒泉衛星發射中心發射升空
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星，這顆衛星被命名為“墨子號”，其背后大有深意。
墨子是春秋末期戰國時期著名的思想家、政治家、科學家、軍事家，墨家學派創始人和主要代表人物。在戰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”量子科學實驗衛星
歷史記載，墨子早在2000多年前就進行了光學實驗，發現光沿直線傳播，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。“就像國外有伽利略衛星、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星，可以增強我國的文化自信和科研自信。”“墨子號”首席科學家潘建偉說。
02
“墨子號”：小身板，大功用
▲“墨子號”衛星
“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星，“墨子號”在發射前便收到了“三大科學任務”，即星地量子糾纏分發實驗、星地量子密鑰分發實驗和地星量子隱形傳態實驗。
星地量子糾纏分發實驗是利用“墨子號”實現千公里級量子糾纏分發。量子糾纏分發就是將一對相互糾纏的粒子分發到兩地，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。在此次千公里級糾纏分發實驗中，“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。
▲星地量子糾纏分發實驗
星地量子密鑰分發實驗是指地面的觀測站接收“墨子號”發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。
▲星地量子密鑰分發實驗
地星量子隱形傳態實驗是指“墨子號”在距地500-1400千米的太空中，接收地面觀測站發射的光子，以驗證衛星與地面之間遠距離量子隱形傳態的可行性，成功地展示了構建量子網絡的可能性。
▲地星量子隱形傳態實驗
發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星到地面的千公里級量子密鑰分發和地面到衛星的千公里量子隱形傳態。
03
“墨子號”與量子星座
2022年7月27日，世界首顆量子微納衛星“濟南一號”成功發射升空。“濟南一號”衛星的重量僅是“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星“濟南一號”成功發射升空
隨著太空中的量子衛星大家庭成員不斷增加，未來量子衛星將進一步組成網絡，構建由高、中、低軌道衛星組成的“量子星座”。潘建偉院士預計，到2025年，中國將發射兩到三顆低軌道衛星，它們將與2027年發射的1萬公里級的高軌量子衛星組成星座，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。“這有望在未來5到10年內實現，我們將提供一些真正實用的東西。”
▲“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