墨子號

墨子號

墨子號是中國研發,全球首顆量子科學實驗衛星,以中國古代偉大科學家墨子的名字命名。2016年8月16日1時40分,中國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空。量墨子最早提出光線沿直線傳播,設計了小孔成像實驗,奠定了光通信、量子通信的基礎,以中國古代偉大科學家墨子的名字命名量子衛星。2017年1月18日,中國發射的世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”圓滿完成了4個月的在軌測試任務,正式交付用戶單位使用。中國科學技術大學、中科院微小衛星創新研究院、西安衛星測控中心、中科院國家空間科學中心等單位相關領導在交付使用證書上籤字。

基本信息

研發背景

墨子號量子科學實驗衛星 墨子號量子科學實驗衛星

量子保密通信技術已經從實驗室演示走向產業化。在城市裡,通過光纖建構的城域量子網路通信已經開始嘗試實際套用,我國在城域光纖量子通信方面已取得了國際領先的地位。

在量子通信的國際賽跑中,中國屬於後來者。經過多年的努力,中國已經躋身於國際一流的量子信息研究行列,在城域量子通信技術方面也走在了世界前列,建設完成合肥、濟南等規模化量子通信城域網,“京滬幹線”大尺度光纖量子通信骨幹網也即將竣工。

然而,這只是開始。“在城市範圍內,通過光纖構建城域量子通信網路是最佳方案。但要實現遠距離甚至全球量子通信,僅依靠光纖量子通信技術是遠遠不夠的。”潘建偉說。

量子保密通信,能夠從三個方面保障信息安全。第一,傳送者和接收者之間的信息互動是安全的,不會被竊聽或盜取。第二,“主僕”身份能夠自動確認,只有主人才能夠使喚“僕人”,而其他人無法指揮“僕人”。第三,一旦傳送者和接收者之間的傳遞口令被惡意篡改,使用者會立刻知曉,從而重新傳送和接收指令。

原來,用量子通信方式傳遞信息,傳送的是光的最小能量單元。但這種最小的顆粒,不能再被分割,也不能複製。即使採用目前最先進的理想單光子探測器,在1000公里光纖中進行點對點量子通信,每300年也只能傳輸一個比特。“就好比一支擁有100萬人的隊伍,到最後可能只剩下幾個人,花了很長時間才能抵達目的地。”這種受制於光纖,不能放大量子通信信號的問題,導致了在遠距離上信息傳遞效率很低,令科學家們一籌莫展。雖然通過量子中繼手段,即分成若干段傳輸來降低每一段的損耗,用“量子接力”的方式解決這一難題,但走向實際套用還需時日。

後來,科學家意識到,真空里不會有光的損耗,想要實現覆蓋全球的廣域量子保密通信,還需要藉助衛星的中轉。

2005年,潘建偉團隊實現了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發實驗,證明光子穿透大氣層後,其量子態能夠有效保持,從而驗證了星地量子通信的可行性。近幾年開展的一系列後續實驗都為發射量子衛星奠定了技術基礎。

“這樣一來,通過發射衛星,去除干擾因素,就可以實現幾千公里的量子通信。”潘建偉說,有了量子衛星,還可以在巨觀距離上檢驗所謂的量子力學的非局域性,也就是“幽靈般的超距作用”。“看看在實驗室里不斷被重複檢驗的理論,放在太空是否還能實現。”

研製歷史

量子衛星2011年12月立項,是中科院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一。工程還建設了包括南山、德令哈、興隆、麗江4個量子通信地面站和阿里量子隱形傳態實驗站在內的地面科學套用系統,與量子衛星共同構成天地一體化量子科學實驗系統。

量子衛星首席科學家潘建偉院士介紹,我國自主研發的量子衛星突破了一系列關鍵技術,包括高精度跟瞄、星地偏振態保持與基矢校正、星載量子糾纏源等。

2016年8月16日凌晨,被命名為“墨子號”的中國首顆量子科學實驗衛星開啟星際之旅。它承載著率先探索星地量子通信可能性的使命,並將首次在空間尺度驗證量子理論的真實性。

量子通信系統的問世,點燃了建造“絕對安全”通信系統的希望。當前,量子通信的實用化和產業化已經成為各個大國爭相追逐的目標。

在量子通信的國際賽跑中,中國屬於後來者。經過多年的努力,中國已經躋身於國際一流的量子信息研究行列,在城域量子通信技術方面也走在了世界前列,建設完成合肥、濟南等規模化量子通信城域網,“京滬幹線”大尺度光纖量子通信骨幹網也即將竣工。

然而,這只是開始。“在城市範圍內,通過光纖構建城域量子通信網路是最佳方案。但要實現遠距離甚至全球量子通信,僅依靠光纖量子通信技術是遠遠不夠的。”潘建偉說。

他解釋說,因為量子的信息攜帶者光子在光纖里傳播一百公里之後大約只有1‰的信號可以到達最後的接收站,所以光纖量子通信達到百公里量級就很難再突破。但光子穿透整個大氣層後卻可以保留80%左右,再利用衛星的中轉,就可以實現地面上相距數千公里甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信。

另外,誕生百年的量子理論的奇妙之處在實驗室里被不斷重複檢驗,但卻從未在太空尺度驗證過。量子理論的各種奇異現象在太空中是否還存在?量子糾纏和隱形傳輸是否可以延伸到星地之間?這些都需要衛星去驗證。

2011年,中科院正式啟動全球首顆“量子科學實驗衛星”的研製,這既意味著中國科學家率先向星地量子通信發起挑戰,更意味著中國或將領先歐美獲得量子通信覆蓋全球的能力。

大事記

酒泉衛星發射中心工作人員裝配“墨子號”量子衛星 酒泉衛星發射中心工作人員裝配“墨子號”量子衛星

2009年12月,空間科學先導專項參加戰略性先導科技專項實施方案評議會,並在16個建議專項中名列前三名。

2011年12月23日,量子科學實驗衛星工程啟動暨動員會在京召開,標誌著量子科學實驗衛星正式進入工程研製階段。

2014年12月30日,量子科學實驗衛星通過初樣轉正樣階段評審,正式轉入正樣研製階段。

2015年12月6日,量子科學實驗衛星系統與科學套用系統完成星地光學對接試驗,驗證了天地一體化實驗系統能夠滿足科學目標的指標要求。

2016年2月25日,量子科學實驗衛星工程完成大系統聯試。

2016年8月16日凌晨1時40分,我國在酒泉衛星發射中心長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空。

2017年1月18日,中國發射的世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”圓滿完成了4個月的在軌測試任務,正式交付用戶單位使用。

2017年6月16日,中國“墨子號”量子衛星在世界上首次實現千公里量級的量子糾纏,這意味著量子通信向實用邁出一大步。
2017 年8月12日,墨子號”取得最新成果——國際上首次成功實現千公里級的星地雙向量子通信,為構建覆蓋全球的量子保密通信網路奠定了堅實的科學和技術基礎,至此,“墨子號”量子衛星提前、圓滿地完成了預先設定的全部三大科學目標。
2017年9月29日,世界首條量子保密通信幹線“京滬幹線”與“墨子號”科學實驗衛星進行天地鏈路,我國科學家成功實現了洲際量子保密通信。這標誌著我國在全球已構建出首個天地一體化廣域量子通信網路雛形,為未來實現覆蓋全球的量子保密通信網路邁出了堅實的一步。
2018年1月,在中國和奧地利之間首次實現距離達7600公里的洲際量子密鑰分發,並利用共享密鑰實現加密數據傳輸和視頻通信。該成果標誌著“墨子號”已具備實現洲際量子保密通信的能力。

目標任務

量子衛星是中國科學院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一,其主要科學目標一是藉助衛星平台,進行星地高速量子密鑰分發實驗,並在此基礎上進行廣域量子密鑰網路實驗,以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破;二是在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗,開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。
墨子號在未來兩年將在世界上首次開展四項實驗任務以達成兩大科學目標:進行經由衛星中繼的“星地高速量子密鑰分發實驗”,並在此基礎上進行“廣域量子通信網路實驗”,以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破;及進行“星地雙向糾纏分發實驗”與“空間尺度量子隱形傳態實驗”,開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。除了衛星之外,地面上也建設了四個量子通信地面站(分別位於河北興隆、新疆烏魯木齊、青海德令哈、雲南麗江)以及位於西藏阿里的量子隱形傳態實驗站。除此以外,奧地利科學院和維也納大學的科學家也與中國方面合作,在維也納和格拉茨設定了地面站。

命名緣由

首顆量子通信衛星以我國古代科學家墨子的名字來命名。墨子最早提出過光線沿直線傳播的觀點,進行了小孔成像實驗。用他的名字命名以紀念他在早期物理光學方面的成就。

墨子最早通過小孔成像實驗發現了光是直線傳播的,第一次對光直線傳播進行了科學解釋——這在光學中是非常重要的一條原理,為量子通信的發展打下了一定的基礎。墨子還提出了某種意義上的粒子論。光量子學實驗衛星以中國科學家先賢墨子來命名,體現了中國的文化自信。

研發單位

量子衛星工程由中科院國家空間科學中心總負責;中國科學技術大學負責科學目標的提出和科學套用系統的研製;中科院上海微小衛星創新研究院抓總研製衛星系統,中科院上海技術物理研究所聯合中科大研製有效載荷分系統;中科院國家空間科學中心牽頭負責地面支撐系統研製、建設和運行;對地觀測與數字地球科學中心等單位參加。

重要意義

“墨子號”的成功發射,將使我國在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信,構建天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。

量子衛星的成功發射和在軌運行,將有助於我國在量子通信技術實用化整體水平上保持和擴大國際領先地位,實現國家信息安全和信息技術水平跨越式提升,有望推動我國科學家在量子科學前沿領域取得重大突破,對於推動我國空間科學衛星系列可持續發展具有重大意義。

美國波士頓大學的量子物理學家亞歷山大·謝爾吉延科說:“這個事確實很讓人激動,因為它是首次開展此類試驗,因此對全球都有重要意義。量子通信的競賽自1995年歐洲科研人員在日內瓦湖底進行量子密鑰分發的最初演示時就開始了。在那以後,英國、美國、日本和中國等國家都在探索城市間的量子通信網路,而現在這場競賽從地面進入了太空,因為衛星能連線相距遙遠的不同都市。中國在發射量子衛星方面走在了前面。”

英國劍橋大學量子物理學教授阿德里安·肯特說:“我對中國發射量子衛星這事感到很興奮。”他認為,這是為使用量子技術構建全球性安全通信網路邁出的“第一步”。

2017年6月15日,中國科學家在美國《科學》雜誌上報告說,中國“墨子號”量子衛星在世界上首次實現千公里量級的量子糾纏,這意味著量子通信向實用邁出一大步。

未來套用

量子衛星發射後,天地一體化量子科學實驗系統將投入正式運行,而“京滬幹線”大尺度光纖量子通信骨幹網工程預計2016年下半年交付。

得益於量子保密通信絕對安全性,量子通信不僅套用於百姓日常通信,也可用於水、電、煤氣等能源供給和民生網路基礎設施的通信保障,還可套用於國防、金融、商業等領域,勢必對產業界和科技界產生巨大變革。

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