改革開放40年
那些不為人知的瞬間?
2018年3月3日，北京人民大會堂北大廳，全國政協十三屆一次會議首次開啟“委員通道”。當天下午中外記者雲集，在通道前，面對記者的“長槍短炮”，有“量子之父”之稱的全國政協委員、中科院院士潘建偉的話擲地有聲：“在量子保密通信方面，我國處於全面領先地位。”
時間回到兩年前，2016年8月16日凌晨，中國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功發射世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”。
量子通信原理上可以提供一種不能破解、不能竊聽的安全資訊傳輸方式，量子資訊技術甚至被比作和平年代的“核武器”。未來以量子資訊技術為代表的量子革命將對人類社會產生巨大影響。
潘建偉院士與他的“天地一體化廣域量子通信技術研究團隊”經過長達10余年的協同突破，在國際上率先實現千公里級的星地量子通信，圓滿實現全部既定科學目標；取得了天地一體化廣域量子通信技術的重大突破。
“通過未來五到十年的努力，我們希望能夠構建一個天地一體化的量子保密通信網絡，來保護千家萬戶的資訊安全。”潘建偉說。
2016年8月16日凌晨，酒泉衛星發射中心，中國長征二號丁火箭第29次成功發射。與以往的28次發射並無不同，成功將它運載的人造衛星送入了預定軌道。可是這次發射卻又有所不同，具有特別重要的意義，因為這次發射升空的，是世界上首顆量子科學實驗衛星。
中國的這一“石破天驚”的舉動，立即引起世界各國的關注。
量子通信技術被比作和平年代的“核武器”，原理上可以提供一種不能破解、不能竊聽的安全資訊傳輸方式，可以從根本上解決國防、金融、政務、商業等領域的資訊安全傳輸問題。
正如中國科學院院長白春禮所言，“墨子號”成功發射開啟了全球化量子通信、空間量子物理學和量子引力實驗檢驗的大門，為中國在國際上搶佔了量子科技創新制高點，成為國際同行的標杆，實現了“領跑者”的轉變。
“墨子號”命名的故事
兩年前，中國成功發射世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”。那麽這顆量子科學實驗衛星為什麽命名為“墨子號”？我國量子科學實驗衛星首席科學家、中國科學院院士潘建偉在接受媒體採訪時透露，“衛星之名取自於我國科學家先賢，體現了我們的文化自信。”
我國古代哲學家、墨家學派創始人墨子也是一位鮮為人知的偉大科學家。墨子是最早研究光的，大約兩千多年前，墨子和他的學生做了世界上第一個小孔成倒像的實驗，並解釋了小孔成倒像的原因，指出了光的直線傳播的性質，這是對光直線傳播的第一次科學解釋。
“量子科學實驗衛星”工作示意圖。
《墨經》中這樣紀錄了小孔成像：“景到，在午有端，與景長，說在端。”“景。光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下。足蔽下光，故成景於上；首蔽上光，故成景於下。在遠近有端，與於光，故景庫內也。”
《墨經》裡記載世界上第一個“小孔成像”實驗，解釋了小孔成倒像的原因，而這正是現代照相技術原理的起源。
命名“墨子號”正是對這顆“世界首發”衛星的最好定義。“墨子是目前據文獻記載第一個通過科學實驗驗證光線沿直線傳播的科學家。從某種意義上，他也是第一個提出牛頓第一定律的人。”潘建偉說。
遭遇前所未有的技術難題
潘建偉長官的中國量子通信團隊取得了舉世矚目的重要成果，在這當中他們遭遇了怎樣的技術難題？
潘建偉曾介紹說，在量子通信技術的研發過程中，首先要面對的是製備單個光量子的技術難題。他舉了一個非常形象的例子來解釋這一關鍵技術的難度：一個普通的15瓦左右的燈泡每秒鐘異塵餘生出的光量子個數可達百億億個，想要實現單個光量子的製備就如同在這百億億個光量子發射出來的瞬間捕捉到其中的某一個，技術難度可想而知。
潘建偉院士演示實用化量子通信產品進行遠距離保密通話。新華社發
另一個難題是單光子的探測。單個光子已經是光能量的最小單元，能量是非常微弱的，需要發展出非常精密和高效的單光子探測技術。具備了單個光量子的製備和探測能力後，才能夠實現安全的量子通信。這僅僅指的是地面上的量子通信，而要實現量子衛星與地面的星地通信難度更可想而知。
工作人員調試超冷原子光晶格平台的雷射伺服系統。 新華社發
研究團隊成員王建宇教授細數了“墨子號”衛星的種種難關：“舉個例子，要從1000公里的高度把一個個光子發射到地面站，這就好比在萬米高空高速飛行的飛機上，同時向地面兩個旋轉的投幣口細長的儲蓄罐扔進一個個硬幣。儲蓄罐的投幣口是細長的，相當於光的偏振，它是有方向的，硬幣要把方向對好才能扔進去，而且不是扔一個，要兩邊同時都扔準才行。”王建宇說，他們做過一個計算，一根火柴劃一下大概有1017個光子，而衛星地面站的探測能力，相當於在地球上的人不用任何儀器，要發現在月亮上有人劃了一根火柴。“此外，還要在每秒一億個光子裡面，搞明白我們探測到的是第幾個光子，這些光子都是排好隊的，抓一個就要知道它是第幾個，這樣才能用來做密鑰。而這對於量子通信的諸多難題而言，只是非常簡單的一個小細節。”王建宇說。
搶佔量子科技創新制高點
“量子通信”是利用量子比特作為資訊載體來傳輸資訊的通信技術，可在確保資訊安全、增大資訊傳輸容量等方面突破經典資訊技術的極限。量子通信有兩種最典型的應用，一種是量子密鑰分發，另一種是量子隱形傳態。量子密鑰分發克服了經典加密技術內在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴格證明原理上無條件安全的通信方式，可以從根本上解決國防、金融、政務、商業等領域的資訊安全傳輸問題。
2017年6月15日，在烏魯木齊南山觀測站，“墨子號”量子科學實驗衛星過境，科研人員在做實驗（合成照片）。新華社記者金立旺 攝
這聽上去“玄而又玄”的“黑科技”正影響改變著我們的現在和未來——我國科學家自主研製的量子通信裝備，已經為60周年國慶閱兵、黨的“十八大”“十九大”、紀念抗戰勝利70周年閱兵等國家重要政治活動提供了資訊安全保障。中國銀監會銀行業監管資訊報送、中國人民銀行人民幣跨境收付資訊管理系統、中國工商銀行網上銀行數據異地災備系統、阿里巴巴商業數據加密傳輸等等，用的都是量子保密通信技術。
地星量子隱形傳態實驗，2017年4月拍攝於西藏阿里。中科院供圖
2018年1月21日，“2017科技盛典”頒獎典禮在央視演播大廳隆重舉行。潘建偉領銜的“天地一體化廣域量子通信技術研究團隊”入選年度科技創新團隊。中國科學院院長白春禮為該團隊頒獎。
經過長達10余年的協同突破，該研究團隊取得了天地一體化廣域量子通信技術的重大突破。他們自主研製了世界上首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，在國際上率先實現千公里級的星地量子通信，圓滿實現全部既定科學目標；國家量子保密通信“京滬乾線”通過總技術驗收，使得我國的量子通信研究水準全面處於國際領先地位。結合“京滬乾線”與“墨子號”的天地鏈路，中國和奧地利之間在國際上首次成功實現了距離達7600公里的洲際量子密鑰分發，標誌著天地一體化廣域量子通信網絡雛形已經形成。
正如白春禮所言，“墨子號”開啟了全球化量子通信、空間量子物理學和量子引力實驗檢驗的大門，為中國在國際上搶佔了量子科技創新制高點，成為國際同行的標杆，實現了“領跑者”的轉變。
未來已來，重任在肩
面對這一深刻影響未來的科技競爭，傳統科技強國都在積極整合各方面的研究力量和資源，力爭在量子資訊技術大規模應用方面佔據先機。
歐盟委員會發布《量子宣言（草案）》，呼籲歐盟成員國和歐盟委員會發起資助達10億歐元的量子技術旗艦計劃，確保歐洲的量子產業在全球產業藍圖中的長官地位。美國國家科學技術委員會發布《先進量子資訊科學：國家挑戰及機遇》報告。美國政府每年斥資2億美元資助量子資訊科學領域的基礎和應用研究。
為此，我國也進一步發力，“十三五”規劃中也將量子通信作為重大科技項目進行重點支持。國家發改委正式啟動國家廣域量子保密通信骨乾網絡建設項目，計劃通過10年左右的努力，建成面向“一帶一路”、服務國家戰略需求、規模最大、技術最先進的總裡程約3.5萬公里的量子保密通信互聯網。
同時，面向構建覆蓋全球的量子通信網絡遠期目標，我國正計劃建設業務化運行的量子密碼衛星網絡，將發射多顆低軌量子通信衛星組成量子星座，提供覆蓋全球的量子密碼分發服務，量子保密通信服務將從二維平面擴展到三維空間，星地量子密鑰分發的實用化和規模化應用正加速到來。
“在量子保密通信方面，我國處於全面領先地位。”今年兩會首次開啟“委員通道”，全國政協委員潘建偉在“委員通道”接受中外媒體採訪時表示：“通過未來五到十年的努力，我們希望能夠構建一個天地一體化的量子保密通信網絡，來保護千家萬戶的資訊安全。”
參考資料：
《2018全國兩會：全國政協十三屆一次會議開幕》央視網
《量子通訊衛星為什麽命名為墨子號》中國青年報·中青在線 記者邱晨輝
《量子通信：讓資訊傳輸無條件安全》科技日報
《“墨子號”圓滿實現三大既定科學目標》科技日報
《潘建偉：這3個原因使中國成為量子衛星首發國家》鳳凰資訊
來源：科技日報 文中圖片除注明外來自網絡
文字整理：左常睿
稿件統籌：嶽靚
編輯：朱麗
審核：王小龍
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