世界首顆量子衛(wèi)星——“墨子號”模型
【“墨子號”聲名鵲起，各種大獎紛至沓來】2月27日，“2017年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”在京發(fā)布，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星位居榜首；1月10日，中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、“墨子號”首席科學(xué)家潘建偉在第48屆量子電子物理學(xué)大會上，獲頒蘭姆獎（Willis E.Lamb Award）；2017年12月19日，潘建偉入選《自然》雜志評選的“2017年度改變世界的十大科學(xué)人物”，被稱為“讓量子通信馳騁于天地之間的物理學(xué)家”……
潘建偉領(lǐng)銜的量子科學(xué)研究團(tuán)隊
【“沉寂了一千年，中國誓回發(fā)明創(chuàng)新之巔”】從100公里、404公里、1200公里到7600公里洲際距離，短短十余年間，潘建偉團(tuán)隊不斷取得量子通信在距離和維度上的新突破，一路保持世界領(lǐng)先，贏得了巨大的國際聲譽(yù)。國內(nèi)外同行、媒體盛贊“全面領(lǐng)先”“英雄史詩般的實驗”“本領(lǐng)域的一個里程碑”。《華爾街日報》則直接打上大標(biāo)題：“沉寂了一千年，中國誓回發(fā)明創(chuàng)新之巔。”這一次，中國科學(xué)站到了世界面前，而且是挺直腰桿，站在了最前沿。
【不被破解的加密技術(shù)，是人類的千年夢想】千百年來，人們對于通信安全的追求從未停止。然而，基于計算復(fù)雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù)，在原理上存在著被破譯的可能性。量子力學(xué)100多年的發(fā)展特別是量子保密通信的出現(xiàn)，給人類帶來另一種可能——不可竊聽、不可破譯的無條件安全通信方式。
【神奇的量子】量子保密通信的基礎(chǔ)原理是量子態(tài)“不可分割”和“不可克隆”的神奇特性。“不可分割”是指，量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，能量的最基本攜帶者。比如量子通信里所用到的光量子，或簡稱光子，就是光能量的最低單元。因此，當(dāng)用單光子來加載信息時，竊聽者就無法截取“半個光子”來竊取信息。“不可克隆”是指未知的量子態(tài)無法被精確復(fù)制，一旦竊聽者試圖對其進(jìn)行復(fù)制，就必然會擾動原本的量子態(tài)，從而被通信方察覺。潘建偉打了個比方，古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆開，就會留下泄密的痕跡。量子態(tài)的作用比火漆更徹底，因為一旦有人試圖打開“信件”， “信件”就會自毀，并通知使用者。
量子通信示意圖
【無條件安全的保密通信】利用量子態(tài)的特性，可以在A和B之間共同生成一串只有他們兩邊知道的密鑰，這一過程被稱為“量子密鑰分發(fā)”。信息通過這串密鑰加密后，可以通過經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)傳輸，比如互聯(lián)網(wǎng)、無線電、電話線等。由于密鑰對于外界是完全未知的，加密后的信息就是不可破譯的。
星地量子密鑰分發(fā)實驗，2017年5月拍攝于烏魯木齊南山。多張照片合成了衛(wèi)星過境的全貌，背景是恒星的星軌
【衛(wèi)星助力擴(kuò)展量子通信的距離】但量子態(tài)很“脆弱”，會隨著光子在光纖內(nèi)或地表大氣中的傳輸距離而迅速衰減，以往的實驗只停留在“百公里”量級的距離。不過，外太空的真空環(huán)境提供了另一片“新天地”，那里的光信號損耗非常小，這就意味著通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信的距離。同時，衛(wèi)星在信號覆蓋上具有獨(dú)特優(yōu)勢，是目前實現(xiàn)全球超遠(yuǎn)距離實用化量子保密通信的最現(xiàn)實途徑。
2016年8月16日，世界上首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”在酒泉發(fā)射升空
【“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星隆重登場】2016年8月16日1時40分，“墨子號”于酒泉成功發(fā)射升空，這是世界上首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星。潘建偉說，有了量子衛(wèi)星，我們就可以在宏觀距離上檢驗量子力學(xué)的非局域性，看看在實驗室里不斷被重復(fù)檢驗的理論，放在太空中是否還能實現(xiàn)。
墨子雕像。墨子，名翟（dí），春秋末戰(zhàn)國初期宋國（今河南商丘）人，墨家學(xué)派創(chuàng)始人，有《墨子》一書傳世
【為什么起名為墨子號】命名為“墨子號”，緣起于已故著名教育家、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)老教授錢臨照。作為老一輩光學(xué)、科技史研究者，錢臨照教授早年對墨家經(jīng)典著作《墨經(jīng)》進(jìn)行研究的時候發(fā)現(xiàn)其中有不少與現(xiàn)代科學(xué)知識相通的記載。“墨家邏輯是全球三大古老邏輯體系之一（另兩個為古希臘的邏輯體系和印度的因明學(xué)），而邏輯體系是科學(xué)的基礎(chǔ)。”潘建偉說，墨子在兩千多年前就發(fā)現(xiàn)了光線沿直線傳播的原理，并設(shè)計了小孔成像實驗，是今天光通信、量子通信的理論源頭。
地星量子隱形傳態(tài)實驗（2017年4月拍攝于西藏阿里）
【創(chuàng)造多個世界首次，“墨子號”捷報頻傳】2017年6月16日，中國“墨子號”量子衛(wèi)星團(tuán)隊發(fā)布了在世界上首次實現(xiàn)千公里級量子糾纏分發(fā)的成果，首次在空間尺度驗證了量子力學(xué)的非定域性。2017 年8月12日，“墨子號”團(tuán)隊又發(fā)布了在國際上首次成功實現(xiàn)千公里級的星地量子密鑰分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)的兩項成果。至此，“墨子號”圓滿完成了預(yù)定的三大科學(xué)實驗?zāi)繕?biāo)。2017年9月29日，世界首條千公里級量子保密通信干線“京滬干線”正式開通，并與“墨子號”科學(xué)實驗衛(wèi)星進(jìn)行天地鏈路，我國科學(xué)家率先成功實現(xiàn)了中國和奧地利之間距離達(dá)7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實現(xiàn)加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信。“墨子號”和“京滬干線”標(biāo)志著天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形已經(jīng)形成，未來將進(jìn)一步推動量子通信技術(shù)在金融、政務(wù)、國防、電子信息等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，建立完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈和下一代國家主權(quán)信息安全生態(tài)系統(tǒng)，最終構(gòu)建基于量子通信安全保障的量子互聯(lián)網(wǎng)。
2017年9月29日，合肥中科大先研院量子通信京滬干線總控中心使用量子加密視頻會議系統(tǒng)與北京會場通話
【國家戰(zhàn)略護(hù)航】從2005年的時候，國家的重大研究計劃已經(jīng)開始注意到了量子科學(xué)。當(dāng)時在中科院物理所的于淥院士、南京大學(xué)的閔乃本院士等建議下，量子科學(xué)成為國家重大研究計劃的內(nèi)容，到目前這一計劃已經(jīng)執(zhí)行了十余年。正是由于國家的重點扶持，我國的量子通信技術(shù)才得以快速發(fā)展。
【“如果不是回國，‘墨子號’不可能那么快上天”】“我們國家有著高效的體制，國家會提供最好最有效的保障來推動科技成果的實現(xiàn)，這是西方國家難以比擬的。”差不多同一時期，潘建偉的導(dǎo)師塞林格團(tuán)隊曾聯(lián)合歐洲多個量子物理優(yōu)秀團(tuán)隊向歐洲太空局提出基于國際空間站實施星地量子通信的計劃。然而，由于歐洲太空局的決策機(jī)制，這一計劃被一再拖延。塞林格教授因此主動提出，與潘建偉團(tuán)隊開展合作。杜克大學(xué)的中國科技政策研究專家Denis Simon評論說，（潘建偉團(tuán)隊）他們之所以行動如此快速，得益于中國對該項目的充分重視。
部分在軌測試科研人員與過境的“墨子號”合影
【全國十多個優(yōu)秀科研團(tuán)隊鼎力合作】“我一直覺得，科學(xué)家有一種個人英雄主義，可直到做‘墨子號’我才發(fā)現(xiàn)，在團(tuán)隊的力量面前，個人太渺小了。”潘建偉說，正是來自全國的十多個優(yōu)秀科研團(tuán)隊的鼎力合作，才使得“墨子號”成為世界首顆上天的量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，也使中國在量子通信領(lǐng)域得以領(lǐng)跑世界。“如果沒有相互之間的充分信任與配合，如此高難度的工程很難這么快取得成功。”“墨子號”衛(wèi)星工程常務(wù)副總設(shè)計師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說。
“‘砥礪奮進(jìn)的五年’大型成就展”在北京展覽館舉辦期間，觀眾在世界首顆量子衛(wèi)星——墨子號模型處參觀
【“中國人在國內(nèi)也可以做很好的‘科學(xué)’”】“如果說當(dāng)年楊振寧先生和李政道先生證明，中國人在國外可以做很好的‘科學(xué)’，那么我們現(xiàn)在證明了，中國人在國內(nèi)也可以做很好的‘科學(xué)’。”潘建偉說，以往有一種誤區(qū)，認(rèn)為中國人也許不適合來做科學(xué)，“墨子號”這個名字和它取得的成果，充分證明了不論古人還是今人，只要給我們一個好的時代，中國人就一定可以領(lǐng)跑世界。
【幾十年如一日的甘于寂寞、踏實肯干】除了科學(xué)精神、科學(xué)興趣，甘于寂寞、踏實肯干的科研作風(fēng)也是科學(xué)家們?nèi)〉贸晒闹匾ＷC。許多人并不知道，每當(dāng)繁華城市陷入沉睡的時候，這群科學(xué)家們常常還在伏案工作，大腦仍在高速運(yùn)轉(zhuǎn)。“我們沒有工作日和周末之分。”中科大教授、潘建偉教授團(tuán)隊成員陳宇翱笑言。
潘建偉帶領(lǐng)科研人員攻關(guān)
【創(chuàng)新永無止境，容不得半點懈怠】盡管目前取得了舉世矚目的成就，不過，潘建偉團(tuán)隊仍保持著“嚴(yán)重的危機(jī)感”。潘建偉說，沒做成的時候有很多懷疑，現(xiàn)在花了這么多時間做成了，國際上都紛紛表示要“盡可能趕上”。正如一位美國同行所說，雖然第一艘宇航飛船和第一個人造衛(wèi)星都是蘇聯(lián)做出來的，但登月，美國卻是第一個。他們覺得只要努力，就可以在量子領(lǐng)域趕超中國。“所以，我們不敢懈怠。”潘建偉說。
【朝著下一個夢想進(jìn)發(fā)】談及未來，潘建偉團(tuán)隊希望建立起多顆衛(wèi)星構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，將衛(wèi)星作為可信中繼，實現(xiàn)地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)展到覆蓋全球。當(dāng)然他們的雄心壯志不止于此，還有更遠(yuǎn)大的夢想：在地月間建立30萬公里的量子糾纏，檢驗量子物理的理論基礎(chǔ)，并探索引力與時空的結(jié)構(gòu)。
2018年3月，全國兩會期間，全國政協(xié)委員潘建偉在“委員通道”接受中外媒體記者的采訪
【相信美好期盼終會實現(xiàn)】“期盼在我有生之年，能親眼看見以量子計算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯(lián)網(wǎng)的誕生。”潘建偉說：“我相信中國科學(xué)家們做得到。”（蘭琳宗 郭力萌）