量子星座与高轨卫星上路

潘建伟院士预测“无条件安全”的全球量子通信网突破，量子星座与高轨卫星上路

上观新闻 作者：徐瑞哲 2024-09-09 16:38:52

已知唯一可以做到“无条件安全”且数量级提质增效的量子通信网络，什么时候来到地球？作为中国科技大学杰出讲席教授、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院院长，潘建伟院士9月9日在浦江创新论坛“未来之光”量子科技专题论坛上，透露了迈向全球量子通信网与量子互联网的最新进展和未来展望。

在这位量子科学家看来，建立全球范围的量子通信乃至互联网，由3个板块构成。其一是基于光纤的城域量子通信网络；其二是量子中继器与存储器链接形成的城际间量子通信；其三是量子卫星加持的远距离量子通信。

潘建伟院士报告。 赖鑫琳 摄

经典通信的信号只有0和1，如发生窃听，这两种信号都不会被扰动，致使双方无法察觉。而作为物理量不可分割的最小单位，基于量子的通信不但有信号0和1，还有0+1、0-1等量子叠加态。根据量子力学的不确定性和不可克隆原理，量子信号一旦被窃听，量子叠加态就会受到扰动，有可能“塌缩”成为另一种量子态。这样一来，当即会被保密通信的双方识破。

潘建伟向各国同行透露近期城域量子通信实验工作，其带领团队在安徽合肥成功构建了国际首个基于量子纠缠的城域三节点量子网络，可在任意两个量子存储器节点间建立纠缠。这项研究使得现实中量子纠缠网络的距离，由此前的几十米整整提升了3个数量级，达到几十公里。

实验节点布局示意图。

基于量子网络，就可以实现广域量子密钥分发，以及分布式量子计算和量子传感，由此《自然》杂志审稿人评价认为：“他们的成果开启了量子互联网研究的新篇章”“为未来大规模量子网络铺平了道路。”潘建伟带有信心地表示，在未来6到10年间，更长距离、更大规模、更为可靠的1000公里级量子通信网络，就可以在城际之间建立起来。

对于被赋予信息量的量子纠缠，可在更广大的域场发生。量子科技专家这样比方：好比地球上一对夫妻，丈夫远赴外太空参加星球大战，不幸牺牲；那么在地球上，妻子在丈夫战死的一瞬间就成为寡妇，也就是说两人的状态同时发生了变化。妻子与丈夫之间的某种纠缠关系就类似于量子纠缠，这两个共同来源的微观粒子，无论分开多远，一旦其中一个发生变化，立即影响到另一个。

潘建伟（右）和陆朝阳在实验室。

因此，全球性的量子通信网不仅在地面，而且要“上天”，还远不止一颗卫星。早在2016年8月，我国首颗量子科学实验卫星“墨子号（Micius）”发射成功，实现了星地之间1000公里级量子纠缠、密钥分发及隐形传态。在役期间，“墨子号”还实现了中国和奥地利之间长达7600公里的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥完成了加密数据传输。

潘建伟直言，单一低轨道卫星虽无法直接覆盖整个地球，但低地球轨道卫星也可以组成“量子星座”，形成可信的量子中继。解放日报·上观新闻记者了解到，设计寿命为两年的“墨子号”，轨道高度在500公里左右，有效工作时间比较短；而正在研制的中高轨量子卫星，轨道高度将达1万公里级别，其载荷性能也就需要提高10倍以上。

浦江创新论坛在张江科学会堂进行中。徐瑞哲 摄

据潘建伟预计，搭载原子光钟的第一颗GEO量子卫星有望在2027年问世。所谓GEO即地球同步轨道，也就是高地球轨道，运行在距离地面约36000公里的圆形轨道上。可以预见的是，基于星地之间的量子通信“长跑接力”，地表的量子通信距离也将一举延伸至1万公里级，基本达成网络“全球通”条件。

题图来源：赖鑫琳 摄