我国量子通信如何领跑世界?答案竟与航空航天有关 |测量君
航天日上居然出现量子技术?
微观量子与广袤宇宙有何关系?
4月24日-5月3日,以“格物致知 叩问苍穹”为主题的2023年“中国航天日”主场活动在安徽省合肥市举办,以“走向世界的中国航天”为主题的展览同步开展。长征系列运载火箭、探月工程月壤样本、“祝融号”火星车……一系列精彩纷呈的展品全方位地展现了我国航空航天事业取得的辉煌成就。
在主题展览上,还有一块量子信息展区,这里展示了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”、世界首颗量子微纳卫星、世界首条千公里级量子保密通信“京沪干线”等领跑世界的量子信息技术及产业化成果。不少前来观展的爱好者发出疑问:“量子信息”与“航空航天”似乎是毫不相干的两个领域,为何这些展品会在这里?
航天日量子信息现场
实际上,一直以来,我国量子技术与产业的发展与航空航天密不可分,无论是前沿的量子信息学术研究,还是实用的“星地一体量子保密通信网络”,中国的量子信息技术在航空航天技术的助力下不断衍化出创新成果,走向世界前沿,助力空间科学、空间技术、空间应用的发展。
“墨子号”,从0到1实现领跑
2016年8月16日1时40分,伴随着隆隆巨响,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”送上太空。为了这一天,中国的量子物理学家们,已经准备了10多年。
早在本世纪初,早在本世纪初,刚刚回国不久的中国科学技术大学教授潘建伟就以“构建全球范围量子通信网”为目标,探索实现更远距离的量子通信。这也是当时量子通信领域国际竞争的焦点之一。
2005年,潘建伟团队完成了中国在自由空间量子通信领域的“开山之作”,在合肥的大蜀山顶,进行了全球首次长达13公里的自由空间量子纠缠分发和量子通信实验;2010年,他们又成功实现当时世界上最远距离的16公里量子隐形传态;2012年实现全球首个上百公里的自由空间量子隐形传态和量子纠缠分发……这一系列成果,对基于卫星的全球量子通信网络和开展空间尺度量子力学基础检验的可行性进行了全方位的验证。
而随着“墨子号”的升空,中国科学家率先走进颠覆性科技的“无人区”。《华尔街日报》曾以“沉寂了一千年,中国誓回发明创新之巅”为标题发表专题文章,将“墨子号”作为中国创新能力提升的重要标志。我国在量子通信领域从“跟跑者”转变为了“领跑者”。
虽然一颗“墨子号”已经非常“优秀”,产出了诸多领跑世界的成果,但它无法单枪匹马完成很多重要科研验证。
“‘墨子号’只是一个起点,从实用的角度来说,必须要构建由高、中、低轨道卫星组成的‘量子星座’,建立覆盖全球的量子通信网络。”中国科学院院士王建宇表示,“目前,我们至少领先国际水平5年,如果基于中高轨的万公里量子通信卫星顺利发射,我们将至少领先10年。”
因此,我国量子卫星群计划提上日程——计划在5-10年内发射3-5颗低轨量子科学实验卫星,和中高轨量子科学实验卫星一起用“量子星座”覆盖整个地球。这一方面是为了立足当下,加速量子通信实用化进程,另一方面是放眼未来,探索更具颠覆性的前沿领域。
“济南一号”发射现场 图源:新华社
世界首颗量子微纳卫星及国盾量子研发设计的小型化量子卫星地面站
可以说,一直以来航空航天技术的发展,为包括量子通信技术在内的诸多前沿技术的发展插上了翅膀。
一方面,“飞上太空”的量子信息技术,也可以为探索基础物理研究提供重大支持。
在航空航天技术的帮助下,我们可以基于量子卫星平台探索基于光钟的引力波探测;也可以尝试探测暗物质对基本常数的影响,以及国际基本计量单位传递能力等物理学基本原理检验,量子纠缠、量子非定域性和量子引力等方面的研究,进一步探索前沿科学和广袤宇宙。2017年,世界首条千公里级量子保密通信“京沪干线”开通,并与“墨子号”成功对接,我国在世界上首次实现了洲际量子保密通信。2021年,国际顶级学术期刊《自然》杂志以“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”为题,报道了我国构建了世界上首个集成700多条地面光纤量子密钥分发(QKD)链路和两个卫星对地自由空间高速QKD链路的广域量子通信网络。《自然》杂志审稿人评价称,这是地球上最大、最先进的量子密钥分发网络,是量子通信“巨大的工程性成就”。而到今天,我国地面光纤量子保密通信网络总长已扩展至超1万公里。
未来,我国将继续构建多纵多横的地面光纤量子保密通信网络,并依托不断进步的航空航天技术完善“量子星座”,从而构建能够覆盖全球的“天地一体”广域量子保密通信网络。这不仅将推动量子通信技术在政务、金融、能源等领域率先广泛应用,实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接,还将为形成具有国际引领地位的战略性新兴产业和下一代国家信息安全生态系统奠定基础。
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