遨游在太空的“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，如今有了屬于自己的“正式名稱”。2020年9月11日，國家重大文化工程《辭?！?第七版)正式對外發(fā)布，本次新增內容中添加了“量子通信”“量子科學實驗衛(wèi)星”等詞條。

2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)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(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。為了這一天，中國的量子物理學家們，已經準備了10多年。

把量子實驗室“搬”上太空

“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星的誕生，源于我國“構建全球范圍量子通信網”的科學愿景。

“把量子實驗室‘搬’上太空的設想，10多年前就已被提出?！敝袊茖W技術大學教授、中國科學院院士潘建偉說。

早在2003年，潘建偉團隊就開始探索在自由空間實現(xiàn)更遠距離的量子通信，提出了利用衛(wèi)星實現(xiàn)遠距離量子糾纏分發(fā)的方案。在自由空間，環(huán)境對光量子態(tài)的干擾效應極小，而光量子在穿透大氣層進入外層空間后，其損耗更是接近于零，這使得自由空間信道比光纖信道在遠距離傳輸方面更具優(yōu)勢。

2005年，潘建偉團隊首先在合肥實現(xiàn)距離達13公里的自由空間量子糾纏分發(fā)和量子通信，13公里約等于地球表面的大氣厚度，這次實驗在國際上首次證明糾纏光量子在穿透等效于整個大氣層厚度的地面大氣后，糾纏仍然能夠保持，其可被應用于高效、安全的量子通信，該實驗為后續(xù)的自由空間量子通信實驗奠定基礎。

此前，一直走在全球量子通信領域前列的，是奧地利物理學家安東·蔡林格的團隊。安東·蔡林格團隊1997年在室內首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫嶒烌炞C，他們在2004年又利用多瑙河底的光纖信道將量子態(tài)隱形傳輸距離提高至600米。潘建偉到奧地利攻讀博士學位期間，曾在安東·蔡林格團隊擔任研究骨干。

2001年，潘建偉學成回國，在中國科學技術大學建立起中國的量子物理實驗室。在那之后，這對師徒既是合作伙伴又是競爭對手，正式開始了攀登量子通信技術高峰的競賽。

相比于安東·蔡林格團隊，潘建偉團隊的進度更快，并逐步實現(xiàn)了從并跑到小幅度領先的超越。

2010年，潘建偉團隊成功實現(xiàn)當時世界上最遠距離的16公里量子隱形傳態(tài)，首次證實量子隱形傳態(tài)穿越大氣層的可行性，為未來基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網奠定了可靠基礎。為了這次實驗，潘建偉團隊從2007年開始在北京八達嶺與河北懷來之間架設了一條長達16公里的自由空間量子信道。

隨后，潘建偉團隊在青海湖地區(qū)新建實驗基地，開展驗證星地自由空間量子通信可行性的地基實驗研究，從多個方面進行攻關，旨在突破基于衛(wèi)星平臺自由空間量子通信的關鍵技術瓶頸，并在2012年實現(xiàn)全球首個上百公里的自由空間量子隱形傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)，對星地量子通信可行性進行了全方位地面驗證。

在這場量子學革命的科學競賽中，多個“世界首次”“世界首個”均來自于由潘建偉領銜的“中國隊”：在國際上首次實現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)、實現(xiàn)國際上首個全通型量子通信網絡、建成世界首個規(guī)?；孔油ㄐ啪W絡……“這標志著中國在量子通信領域的崛起，從10年前不起眼的國家逐步發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領先歐洲和北美?！眹H權威期刊《自然》雜志曾如此感嘆。

中國團隊的這些研究工作，證明了實現(xiàn)基于衛(wèi)星的全球量子通信網絡和開展空間尺度量子力學基礎檢驗的可行性。

挑戰(zhàn)世界最高難度

2010年3月31日，我國國務院第105次常務會議審議通過了中國科學院“創(chuàng)新2020”規(guī)劃，要求中國科學院“組織實施戰(zhàn)略性先導科技專項，形成重大創(chuàng)新突破和集群優(yōu)勢”。

2011年1月25日，中國科學院實施啟動首批“4+1”個戰(zhàn)略性先導科技專項，其中就包括空間科學先導專項?？臻g科學先導專項第一批確定研發(fā)包括“墨子號”在內的四顆科學實驗衛(wèi)星。另外三顆分別為暗物質探測衛(wèi)星“悟空”、我國首顆微重力科學實驗衛(wèi)星“實踐十號”和硬X射線調制望遠鏡衛(wèi)星“慧眼”。

“工程師的任務是技術實現(xiàn)，要把科學家的夢想變成現(xiàn)實?！绷孔有l(wèi)星工程常務副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說，2011年量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”項目正式立項后，更高難度的挑戰(zhàn)開始了。

量子科學實驗衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的星地量子通信設備，突破了一系列高精尖技術，包括“針尖對麥芒”的星地光路對準，偏振態(tài)保持與星地基矢校正，量子光源載荷等關鍵技術。

王建宇從2007年就開始參與量子衛(wèi)星的研究工作。他是中國科學院上海分院的副院長、原中國科學院上海技術物理研究所所長，作為光學遙感系統(tǒng)專家，他的團隊與潘建偉團隊合作，在遼闊美麗的青海湖畔實現(xiàn)了百公里級自由空間量子通信。