科学网酒泉 8 月16 日讯（记者 李瑜） 8 月 16 日凌晨，伴随着世界首颗量子科学实验卫星在酒泉圆满发射成功，中国人的 “ 飞天 ” 梦想再一次在这片古老的土地上绽放，从此，头顶的浩瀚的星空里也多了一份属于中国和世界的 “ 量子 ”牵挂。
从最初的研制到发射，量子卫星承载了太多关注的目光与期许，那么，这颗举世瞩目的 “ 新星 ” 到底有多牛气 ？ 其技术实现难度又有多高 ？ 在酒泉卫星发射中心， 量子科学实验卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇，向 《 中国科学报 》 记者讲解了量子卫星技术的诸多 “ 极限挑战 ”。
天地一体化连通：从太空向地面存钱罐扔硬币
在量子通信中，最大的难点在于如何实现天地一体化的量子联通。 这就好比在万米高空，往地面的一个存钱罐里扔硬币，需要准确地将硬币投掷于储蓄罐的狭小入口。 如果出现一点点偏差，信息的传递便会功亏一篑。
“ 量子的编码， 就像计算机编码 0101 一样， 有 正负、 垂直、 水平等不同状态， 要把量子的偏振方向检测出来，才能变成密码。 ”王建宇介绍说，量子里面有两组状态，一组是正交的，一组是倾斜 45 度的，所以，一共有四个不同的偏正状态。
不仅如此，地面上的存钱罐 （ 接收装置 ） 和天空中的投掷者 （ 量子卫星 ）也不安生， 它们都在不停地旋转运动。
“ 这就是瞄准和检测偏正的最大难度所在， 我们要在双方都处于运动状态的情况下完成信息传递。 ” 王建宇强调，稍微对不上一点点都不行，如果这样，地面上收到的就是误码了。
据王建宇介绍， 一旦误码率高于 3.5% ，信息传输就没有意义了。 “ 3.5% 是个底线，通常我们会把误码率控制在 1%～2% 之间。”
探测器灵敏度：在地球上看到月球的火柴光
如果说从太空向地面存钱罐扔硬币已经让人感到咋舌，那接下来的技术则更加让人目眩。
量子卫星采用的是单光子探测器，其目的是实现对每一个光子的捕捉。那么，这是一个什么概念呢 ？
“ 一个 60 瓦的灯泡， 每秒钟发射的光子数大约是 10×10 的二十次方个，而一根火柴的最大光亮大约是 3～5瓦。 ” 王建宇说，量子卫星探测器灵敏度相当于在月球上点根火柴，我们在地球上用望远镜可以看到它的亮光。
如果考虑到火柴点燃后，光向四面八方的扩散效应，其观测难度可想而知。“ 探测器的灵敏度必须达到这种程度，才能捕获来自太空中的一颗颗光子。否则的话，天上的量子卫星就没有存在的意义了。 ” 王建宇说。
时间同步设置：一秒钟给一亿个光子排排队
在太空中， 量子卫星每秒钟大约向地面发射一亿个光子，需要地面接收装置对所有光子进行接收。然而，这个接收过程并非来者不拒，而是要讲究个先来后到。
“ 我们必须知道每个光子是第几个发出来， 信息传递就是必须发送端和接收端是能够对的上的，要有一个完整的序列。 ” 王建宇说。
将光子们一一对接起来的办法，就是时间同步。“ 我们现在的接收频率能做到一个纳秒，也就是在一秒钟之内，把一亿个光子全都排列好。 ”
心理难关：这是一项从未有过的探索
与此前众多追赶、超越的老剧本不同，量子通信这条路，是中国科学家自己一步步趟过来、摸出来的。
“ 我们以前做各种各样的卫星的时候，一般都有个参考。 尽管人家不会把技术告诉你， 但是至少心理上是有个预期的， 因为别人已经做成了。我们相信通过自己研究总能成功， 心里有这个底。 此外， 中国已经有很多例证， 尽管起步晚，但却实现了赶超。 ” 王建宇如是说。
然而，量子卫星不一样。“ 这个东西到底行不行，刚开始做的时候，我们心里真的是没底。 ” 王建宇感概地说，尽管我们经手的大大小小的卫星研制工作已经无以计数，但量子卫星对于所有参与者都是一个从未有过的巨大挑战。
谈及量子卫星的发射成功，王建宇很是平淡。“ 对于人类探索量子物理世界和空间科学的脚步而言，这仅仅是个开始吧。 ”
延伸阅读（一）：世界首颗量子卫星 “ 墨子号 ” 发射圆满成功
科学网酒泉 8 月 16 日电（记者 李瑜 通讯员 赵金龙） “ 5、4、3、2、1，点火 ！” 8 月 16 日 1 时 40 分，脚下的震颤，打破了戈壁滩上的宁静。 长征二号丁运载火箭拖曳着一道刺眼的白焰划过茫茫夜空， 在呐喊与欢呼中，世界首颗量子科学实验卫星“ 墨子号 ” （ 以下简称量子卫星 ），发射圆满成功（图略）。此次发射任务于酒泉卫星发射中心完成，它的成功， 标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。也意味着在通信技术的发展的历史上，人类再次开疆拓土。
量子卫星是中科院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一， 也是继暗物质粒子探测卫星和实践十号卫星之后完成发射的第三颗卫星。 据量子科学实验卫星工程副总指挥龚建村介绍，量子卫星的主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。
量子卫星工程由中科院国家空间科学中心抓总负责。中国科学技术大学负责科学目标的提出和科学应用系统的研制；中科院上海微小卫星创新研究院 （ 上海微小卫星工程中心 ） 抓总研制卫星系统，中科院上海技术物理研究所联合中国科学技术大学研制有效载荷分系统；中科院国家空间科学中心牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行，对地观测与数字地球科学中心等单位参加。
我国自主研发的量子卫星突破了一系列高新技术， 包括同时瞄准两个地面站的高精度星地光路对准、 星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等工程级关键技术等，卫星设计寿命为两年。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领先地位，实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升， 有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破，对于推动我国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。
龚建村介绍说， 卫星发射入轨后，将首先进行三个月左右的在轨测试。然后转入在轨运行阶段，在两年时间内开展相关实验。 此外，本次任务还搭载发射了中国科学院研制的稀薄大气科学实验卫星和西班牙科学实验小卫星。
另据量子科学实验卫星工程首席科学家、 中科院院士潘建伟透露， 量子卫星已正式定名 “ 墨子号 ”。 “ 墨子跟光学工作是紧密相关的，他的发现奠定了光通信、 量子通信的基础。 ” 潘建伟表示，以墨子这位中国古代先贤为卫星命名，是对中国传统文化的一份自信与敬意。
延伸阅读（二）：量子卫星 “ 墨子 ” 入轨 搭载二代激光实验系统
（ 来源： 科技日报 2016-08-16 09:03:58 ）
经过十三年准备，“墨子号”终于成功升空。
“ 墨子号 ” 是世界上首颗量子科学实验卫星。量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟说，给它起名“ 墨子 ”， 是因为墨子首先通过小孔成像实验发现了光沿直线传播， 而且他也提出了某种意义上的“ 粒子论 ”。
带着中国先贤的名字，这颗卫星于凌晨发射至高度为 500 公里的预定轨道。 半夜发射一颗太阳同步卫星，是为了保证它每次飞过中国上空都在夜间，夜间试验可以规避光线干扰。
那么，量子卫星的前世今生是什么？ 它是否会成为世界量子通信研究领域最亮的 “ 星 ”？
量子卫星设想由来已久
“ 2003年， 我们想到，为了真正实现远距离量子通讯，可能需要卫星。” 8 月 15 日，东风航天城的东风宾馆，潘建伟面对媒体回忆起量子卫星想法的诞生。
那时，距离潘建伟在中国建立第一个光量子操纵实验室， 仅仅两年。示意图（图略） 卫星发出一对纠缠光子，两个站同时收到。
量子有许多神奇的特性， 其中之一就是 “ 纠缠 ”。对处于纠缠态的其中一个粒子进行操作，会影响到另一个粒子。不管这两个粒子相距多远，他们都有着不可思议的 “ 心灵感应 ”。
于是， 量子隐形传态的概念被提出：关于一个量子客体的全部信息在某个地点被扫描输入，又能在一个新的地点重构出来。
但是，传递处于纠缠态粒子的过程，充满着噪音、 散射和各种形式的其他干扰，任何一种干扰都会破坏隐形传态所必需的精巧的量子关联。比如，纠缠光子通过光纤传输，但光纤会吸收光，这大大限制了光子的传输距离。潘建伟说， 即使存在超出目前技术水平的 10 G赫兹理想单光子源和 100% 探测效率的理想单光子探测器， 但若要在 1000 公里光纤中进行点对点量子通信，每300年也只能传输一个比特。“ 因此，要实现覆盖全球的广域量子保密通信，还需要借助卫星的中转。 ”
通过一系列的实验，量子隐形传态的距离纪录被中外科学家一再刷新。
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。
2007 年开始，潘建伟与中科院一些机构合作，做地面验证。 2010年，他们论证了发射卫星的可能性；2011年底，量子科学实验卫星项目正式立项。
困难全都得自己解决。
“ 墨子号 ” 常务副总师兼卫星总指挥王建宇说，他的工作就是帮助科学家梦想成真。 “ 2011年到今天，我们经历了原理样机、初样、 正样几个阶段的努力。因为是国际上第一颗量子卫星，毫无参照。以前有些卫星任务，多少能找到参考，在国际做法的基础上改进。但量子卫星的困难全得自己解决。 ”
王建宇举了一个难点： “ 首先，卫星微弱的光发下来， 地面要收到。 一千公里远， 0.7 个角秒，对不准不行，而且地面要收到每一个光子。 因为光的编码是偏振状态，我们不但要收到光子，还要完美检测偏振状态，才能变成密码。”
王建宇打比方说，这就相当于人坐在万米高空的飞机，向下扔一连串硬币，要扔进一个慢慢旋转的储币罐的缝里。 必须瞄准好，因为硬币斜了也投不进去。 而且， “ 密钥分发时候，每秒钟要接收 1 亿个光子。 这些光子的次序还不能搞错，搞错就白收了。 ” 王建宇说。
接受光子的望远镜的灵敏度， 相当于月球上划一根火柴，地球上就要测到。而潘建伟则比作：在地球上能看清木星卫星上的车牌号。
“ 卫星上发出一对纠缠光子，要两个站同时收到，国际上从未做过。” 王建宇说，“ 美国人做过一个点对准。他们是强光通信，要用强光引导。我们是弱光通信，用5种光，还要区分出来。”
潘建伟坦言，卫星研制过程中，遇到了各种难题，很难说哪个困难最大。 他透露，在卫星设计过程中，他们也有过重要的调整。 “ 宇宙中有很多高能粒子，我们的卫星要接受地面信号，需要红外探测器在宇宙环境中， 单光子水平下长时间工作。西欧给出的测试报告，说探测器可以经受高能粒子打击。 结果我们去验证，1个星期探测器就被打坏了。于是，我们就想将轨道搞低一点，避开高能粒子，但作用有限。后来我们又用了一种办法，让探测器即使身处高能粒子打击下，还能工作 1 年以上。”
建立跨大陆的量子通信连接
其实，在自由空间量子通信领域，潘建伟的竞争对手之一，就是他曾经的导师，奥地利科学院院长、物理学教授安东-蔡林格 （ Anton Zeilinger ）。
从纠缠光子分发到量子隐形传态，中国团队和奥地利团队不断竞争，立下一个又一个里程碑。
蔡林格研究组同样一直在和欧洲空间局商讨建立量子卫星计划。但是， “ 它的运行机制太慢了，以至于没有做出任何决策 ”。
“ 墨子号 ” 发射成功，中国团队在量子太空竞赛中，已经领先一步。
现在，潘建伟和蔡林格团队有了一个共同目标——在北京和维也纳之间生成和共享一个安全的量子密钥。
量子密钥，即发送方和接收方采用单光子状态作为信息载体来建立的密钥。单光子不可分割、 不可复制，也无法被精确地测量。无论现在还是将来，无论破译者掌握怎样先进的窃听技术，基于量子力学原理而建立的密钥，不可能被破解。
这就是“ 绝对安全 ”。 量子通信被视为保障未来信息社会通信安全的重要技术基础。
“ 随着中国科技的迅猛发展，我相信量子通信将在不到 10 年时间里辐射千家万户。 期盼在我有生之年，能亲眼目睹以量子计算为终端、以量子通信为安全保障的量子互联网的诞生。 ” 潘建伟说，“ 相信我国科学家做得到。 ”
奥地利的研究团队同样投入热情，加入这场新的国际合作。蔡林格说： “ 我的一个学生正开始学习汉语。 ” 他希望，此次量子科学实验卫星项目，能够为两个大陆之间，建立起第一个量子通信连接。
2030年，建成全球化广域量子通信网络
这样的通信连接，还会有更多。
潘建伟说， 从量子卫星到地面跨度为 500 公里，地面站之间相距 1200 公里，据他所知，这是国际上跨度最大的单个实验室。
他所说的地面站，是量子卫星科学应用系统的一部分。这个系统的配置为：1个中心——合肥量子科学实验中心；4个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站；1个平台——阿里量子隐形传态实验平台。
卫星的成功发射，并不意味着团队可以稍事休息，这条征途没有尽头。潘建伟心中的时间表，也已经排到了2030年。
“ 单颗低轨卫星无法覆盖全球，同时由于强烈的太阳光背景，目前的星地量子通信只能在地影区进行。要实现高效的全球化量子通信，还需要形成一个卫星网络。 ” 潘建伟强调。
接下来，团队还要开展空间站 “ 量子调控与光传输研究 ” 项目。该项目将研究星间量子通信技术、 全天时量子通信技术等，同时进行量子密钥组网应用、 多种技术体制的空间激光通信验证、 量子密钥分发与激光通信复合的加密信息传输系统等应用研究，为下一步的卫星组网奠定技术基础。
“ 如果进展顺利，国家也支持发射多颗量子通信卫星，那么有希望到 2030 年左右，建成全球化的广域量子通信网络。 ” 潘建伟说。
