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潘建伟：深度解读量子通信卫星 中国成功发射全球首颗量子科学实验卫星2016年8月16日北京时间凌晨1时40分，全球首颗量子科学实验卫星“墨子”号在中国酒泉卫星发射中心成功发射，标志着我国在量子通信领域全面领先于世界。“墨子号”量子通信卫星发射期间，《环球科学》专访中国量子通信领军人物、空间量子科学实验卫星计划的首席科学家潘建伟院士，为读者深度解读“墨子号”。《环球科学》：能否简单解释一下什么是量子通信？潘建伟：这是目前唯一得到严格证明的无条件安全的通信手段。传统的信息安全依赖于计算的复杂，一旦拥有足够强大的计算能力，所有依赖于计算复杂度的传统加密算法原则上都会被破解。量子通信的安全性基于量子力学基本原理，单光子的不可分割性和量子态的不可复制性从原理上保证了信息的不可窃听和不可破解。只要量子力学是正确的，量子通信的安全性就严格得到保障，与计算能力无关，因此可从根本上、永久性地解决信息安全问题。在城市范围内，通过光纤构建城域量子通信网络是最有效的手段。我国在实用化城域量子通信技术方面处于国际领先，在合肥、济南、上海、北京等地都建成或即将建成规模化的城域量子通信网络，并初步应用于国防、政务、金融等领域的信息安全。然而，由于光纤的固有损耗，按照目前的技术，光纤中点对点的量子通信最多只能达到百公里量级。另一方面，由于大气层对光子的吸收很有限，将光子送到外太空再通过卫星的中转，是实现数千公里乃至全球化量子通信的有效手段。《环球科学》：您是如何产生用卫星来试验量子通信的想法，又经过了哪些准备工作？潘建伟：2003年起，在大多数同行仍致力于在实验室里实现量子通信的时候，我就想到为了真正实现远距离量子通信，可能需要卫星。2004年底，我们团队在地面实验中验证，量子状态在穿越整个竖直大气层后还能够很好存活，证实了星地量子通信的可能性。此后，在中科院两个知识创新工程重大项目的支持下，潘建伟团队和中科院其他单位合作，开展了一系列的验证实验，充分验证了星地量子通信的可行性。2011年，中科院正式立项量子科学实验卫星专项。《环球科学》：“墨子”号发射后，将会承担哪些研究工作？研究团队有什么样的分工？潘建伟：量子科学实验卫星工程将研制及发射1颗量子科学实验卫星，建设以4个量子通信地面站（北京兴隆、乌鲁木齐南山、青海德令哈、云南丽江）和1个空间量子隐形传态实验站（西藏阿里）为核心的空间量子科学实验系统。量子卫星发射入轨后将进行3个月左右的在轨测试，然后转入在轨运行阶段，将在首席科学家潘建伟的指挥下，完成一系列具有国际领先水平的科学实验任务。主要科学目标为：进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。乌鲁木齐南山站和北京兴隆站与量子科学实验卫星配合，完成星地高速量子密钥分发实验和建立广域量子通信网络演示实验；量子科学实验卫星飞过乌鲁木齐南山站与青海德令哈站，青海德令哈站与云南丽江站之间时，可在两个地面站之间进行星地量子纠缠分发实验。量子科学实验卫星飞过阿里量子隐形传态站上空时，实验站向量子科学实验卫星发射纠缠光子，完成星地量子隐形传态实验。量子科学实验卫星的研制集合了中科院系统的优势研究力量：中国科学技术大学负责科学应用系统的研制，中国科学院上海微小卫星工程中心抓总研制卫星系统，中国科学院上海技术物理研究所联合中国科学技术大学研制有效载荷系统，中国科学院国家空间科学中心担任工程总体并牵头负责地面支撑系统的研制、建设和运行。《环球科学》：量子通信卫星有4个重要单元：量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验控制与处理机，能否介绍一下这些单元以及其他部分的作用原理和功能？潘建伟：这4个单元其实就是量子卫星的有效载荷。量子密钥通信机实现量子密钥分发实验的密钥产生发射、量子隐形传态信号接收探测、纠缠信号发射；量子纠缠源为星上纠缠光子对产生源头，为纠缠分发实验核心；量子发射机实现纠缠信号发射、量子密钥分配实验密钥产生和发射；量子实验控制与处理系统实现密钥分发实验的后端处理，最后提取最终密钥，此外实现纠缠实验和隐形传输实验的数据分析处理。量子密钥通信机和量子纠缠发射机是量子卫星对地直接进行量子通信的设备，需要一些特别的技术。这其中最重要的就是与地面站的精确对准。卫星的运动速度大约是每秒8公里，要和地面望远镜的光轴精确对准，用一个形象的比喻就是针尖对麦芒：卫星的对准精度就好比在一万米高空的飞机上，向地面扔一个一个硬币，要准确投入储蓄罐狭长的投币口内，而储蓄罐还在慢慢旋转中。另外，在量子纠缠分发实验中，还需要同时和两个地面站对准，难度就更加大，这要求卫星的对准精度高于普通卫星的10倍，实验才能顺利展开，这在