墨子号卫星系统副总师彭承志：中高轨卫星助力量子力学检验

　　“空间量子科学领域在这些年得到了长足的发展，我们中国的贡献起了关键性作用。特别是在2011年立项了‘墨子号’量子科学实验卫星的发展之下，2016年成功发射了国际首颗量子科学实验卫星。在这颗卫星的帮助下，我们在国际上的科学实验跨越非常大。”9月24日，中国科学技术大学研究员彭承志在“2021 量子信息技术学术交流大会”上进行报告时表示。
彭承志介绍道，有了卫星，能实现千公里级的量子通信、地星量子隐形传态、星地双向量子纠缠分发等。“空间量子科学大有可为，有很多新的前沿让我们探索。”
中国科学技术大学研究员彭承志
　　彭承志是中国科学技术大学研究员，博士生导师，同时担任起源于中国科学技术大学的世界首家量子科技上市公司——科大国盾量子技术股份有限公司（简称“国盾量子”，688027）董事长。
中科大官网显示，彭承志自从事量子通信研究以来，始终围绕着量子信源、传输通道以及探测这三个核心问题，将光纤、自由空间两种不同信道的量子通信实验与传统光学技术进行了融合和交叉研究，在实用化诱骗态量子密钥分发和基于纠缠的量子通信研究方向上取得了若干研究成果。2011年，中科院空间科学先导专项量子科学实验卫星正式立项，彭承志被任命为科学应用系统总师和卫星系统副总师。
从最初的简单想法延伸到空间量子科学实验的大领域
量子具有“不可克隆定理”，就是说无法做到克隆（复制）一个量子态而对被克隆的量子态不产生影响。而任何未授权方企图窃取密钥的探测都可以看作是一种“克隆”，这就会带来额外的误码，授权用户在后处理过程中会根据误码发现有人窃听。因此，量子通信能够保障通信安全。
量子通信采用的载体是单个光子，单光子在光纤中传输不可避免地会出现一些损耗。“当时业界基本认为：光纤量子通信的距离很难超过100或200公里。”彭承志表示。
“所以，作为一种通信方式，或者一种密钥传输的方式，怎样实现全球覆盖？我们自然而然就想，地面做不下去，就利用天上的卫星平台。光子在太空传输时几乎没有衰减，这种特性让我们来考虑用来实现广域、覆盖全球的量子通信。”彭承志表示，要做到这一点，最核心是实现光源探测和光量子态在星地空间的传输。
“如果能做到这一点，不仅可以传输相干的量子态，还可以把纠缠搬到星地空间，把原来只能在地面实验室做的近距离的量子力学非定域性检验，放到一个更广的系统上。更进一步，当量子纠缠在重力场传输时，这就跟大家关注的前沿物理问题结合在一起：广义相对论和量子力学的融合理论。而且这种量子传输还可以用来做一些广域高精度光频标实验。”
彭承志表示，这样就从最早的远距离量子通信问题，衍生出许多空间量子科学相关领域。这些领域共同构成整个空间量子科学实验大领域。
彭承志介绍道，2016年成功发射“墨子号”卫星，在卫星帮助下，他们在国际上率先开展了系列空间量子科学实验。他们实现了千公里级量子密钥分发，分发速率约1kbps，比同距离光纤提高20个数量级；还实现了千公里级地星量子隐形传态，千公里级星地双向量子纠缠分发，以及空间尺度严格满足“爱因斯坦”量子力学的非定域性检验。
他们第一次利用量子卫星在地球引力场中，对尝试融合广义相对论和量子力学的模型进行检验。他们检验了“事件形式”模型的参数，在500公里轨道排除了“事件形式”理论预言的引力导致纠缠退相干现象。他们还把量子密钥分发和时间频率的传递结合，首次实现量子安全时间传递。
“未来，通过“墨子号”、京沪干线的成功实施，我们可能率先凝聚一个共识：打造一个天地一体、广域量子通信网络。”彭承志表示，“这张网络不仅瞄准下一代信息安全的趋势，还可以给未来空间的基础科学研究提供一个非常好的平台。”
他们将推动量子通信技术在国防、政务、金融和能源等领域率先加以广泛应用，实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接；为形成具有国际引领地位的战略新兴产业和下一代国家信息安全生态系统奠定基础。
下一步往哪走？这是我们能否持续领先发展的关键问题
“走到这一步之后，可以说，在量子通信领域，我们短程跟跑并跑，逐步到了领跑位置。下一步往哪走？这是我们能不能够持续领先、发展的关键问题。回答这个问题，要看我们现在在哪。”
彭承志指出，“墨子号”卫星存在局限。“墨子号”是低轨卫星，轨道约高500公里（地球半径约6000公里），所以它对地球的覆盖范围较小；同时，它的工作时间偏短（单次过地面站的时间约9分钟），而且由于技术限制，现在只能在夜晚（地影区）工作。“这极大地限制了它的未来应用，和更进一步、更有想象力的科学实验的开展。”
彭承志表示，未来发展的一个可行方向是跟中高轨量子卫星相结合。中高轨量子卫星具有一些优势，如机动的对站能力、更长的实验时间，而且能够突破地影区限制，24小时成码。
“高轨除了可以做距离更远、覆盖范围更广的量子通信，还可以把量子力学的非定域性检验再大步往前走。”
非定域性是指处于纠缠态的两个粒子不管彼此相距多远，都是一个相互关联整体。这是量子力学的重要性质，也是爱因斯坦质疑量子力学完备性的主要原因。
“量子力学非定域性检验一个终极的问题。要在两端探测时引入一个‘随机’的探测，来检验纠缠的非定域性。”彭承志表示，终极的随机可能像人类意识。因此，非定域性检验需要超远距离的量子纠缠分发，光速飞行所需的时间超过人的反应时间（约0.1秒），例如地球与月球之间（1.28光秒）。“我们可以在中高轨道上先走一步，实现万公里级相应的技术和验证，为未来真正有观测者（人）参加的检验奠定基础。”
“量子力学很有意思的一点是，人类观测者能够决定实验本身。对人类观测者来说，纠缠到底是独立于观测存在，还是说人类观测的引入会导致纠缠特性的改变。这是我们未来要做的。”
高轨道条件下还能够探索广义相对论与量子力学融合。比如，发射高轨卫星时，首先将卫星发射到一个较低的轨道，然后逐步到高轨上。卫星变轨，可以探索新的引力红移的探测方法等。此外，高轨道还能进行广域高精度时频传递，提升大地重力势测量、基础理论检验、国际基本计量单位传递能力。
国际有很多空间量子科学研究的布局，我们也没有停下
“随着‘墨子号’的引领，欧美国家也迅速增加了很多空间量子科学的研究布局。包括NASA（美国航天局）的计划、ESA（欧洲航天局）的计划，他们关注的方向非常清晰。”彭承志表示。
2017年11月，NASA发布空间基础量子物理白皮书，目标在量子相干与量子纠缠、量子精密测量、量子物质等领域实现突破；ESA发布空间量子技术白皮书，目标在量子通信、给予量子相干测量的时频传递与对地测量、基础量子物理实验等领域实现突破。
2019年，欧盟专门制定一个泛欧地面和天基量子通信基础设施的协议；2021年G7峰会，美国、英国、法国等7国联合开发基于卫星的量子加密网络“联邦量子系统”。2021年，奥地利Zeilinger团队，提出基于纠缠源参数优化的星地纠缠QKD策略，并在144km水平链路进行演示验证；意大利Paolo小组，利用集成硅基光学芯片实现145米自由空间白天KQD；美国空军研究实验室研究了适用于白天自由空间量子通信的自适应光学系统。
“所以，虽然他们嘴上说一些东西还不实用，实际上，技术实验研究一直在做。我们也没有停下来。”
从低轨卫星的方向来看，彭承志介绍表示，他们正研制重约100公斤的微纳空间量子密钥分发卫星，QKD载荷35公斤，预计2022年发射。“这是真正有业务价值的。”目前，中国科大等联合团队已基本完成小型化、轻量化的卫星载荷，重量从原来的几百公斤降至30多公斤。
与此同时，部分已经成熟的技术也开始进行成果转化。最近，作为中国科学技术大学的产业化平台，国盾量子在原“墨子号”卫星地面站的基础上合作研发了轻量化、可搬运的地面接收系统。该系统体积由4米乘3米，重13吨，缩小至1.2米乘0.5米，重量低于100公斤。彭承志指出，小型化的地面站是未来大规模用户接入的一个关键点。
发展中高轨，则需要突破地影区的限制，这就需要高效传输、噪声抑制，以及高精度发射。他们在发展基于深度学习的新型自适应光学补偿方法、研制具备高效单模光纤接受的大口径光学望远镜，并进行星地链路测试。
他们已经在南山和上海进行了实验。“我们在几十公里、长时间、地面的验证上已经取得了突破，可以说，地面的关键技术都得到充分的验证。现在我们希望得到更多支持，在中高轨道进一步发展。”

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