近期，中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、陆朝阳、曹原应邀在国际物理学权威综述期刊《现代物理评论》（review of modern physics）上发表题为“基于‘墨子号’卫星的空间量子实验”（micius quantum experiments in space）的长篇综述论文。该论文从量子信息理论的基本概念、早期量子通信和量子信息相关原理性实验、面向卫星的地面大空间尺度验证实验，以及“墨子号”卫星从立项、研制、在轨运行到最终在国际上率先完成一系列星地量子科学实验，进行了系统性的阐述和总结。同时，该综述论文还对国际空间量子科学的研究进展进行了梳理。“墨子号”的成功激励了国际空间量子科学的研究热潮，美国、欧盟、日本等国际上的各方力量随后皆开始探索自己的广域量子通信之路，提出或加速了一系列空间量子科学布局。论文的最后，对于进一步构建覆盖全球的量子通信网络和基于空间平台的量子物理基础研究进行了前瞻性的展望，表明“墨子号”系列实验开启了利用空间平台开展量子信息和量子物理前沿研究的广阔天地。
图1：《现代物理评论》论文网页
量子通信基于量子物理学的基本原理，克服了经典加密技术内在的安全隐患，是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式，可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。量子通信通常采用单光子作为物理载体，最为直接的传输方式是光纤或者近地面自由空间信道。但是，这两种信道的损耗都会随着距离的增加而指数式增加，近地大气信道还会受到地球曲率的影响。由于量子不可克隆原理，量子通信的信号不能像经典通信那样被放大，这使得之前量子通信的世界纪录只有百公里量级。因此，如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信是该领域的最大挑战和国际学术界几十年来奋斗的共同目标。
由于外太空几乎真空，对于光信号的吸收损耗几乎为零，因此通过卫星的辅助可以极大扩展量子通信距离。本世纪初以来，该方向已成为了国际学术界激烈角逐的焦点。潘建伟团队为实现星地量子通信开展了一系列先驱性的实验研究。2003年，该团队提出了利用卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的方案，随后于2004年在国际上首次实现了水平距离13公里（大于大气层垂直厚度）的自由空间双向量子纠缠分发，验证了穿过大气层进行量子通信的可行性。2011年底，中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年，潘建伟领衔的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态，充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2013年，中科院联合研究团队在青海湖实现了模拟星地相对运动和星地链路大损耗的量子密钥分发实验，全方位验证了卫星到地面的量子密钥分发的可行性。随后，该团队经过艰苦攻关，克服种种困难，最终成功研制了“墨子号”量子科学实验卫星。“墨子号”卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空，经过四个月的在轨测试，2017年1月18日正式交付开展科学实验。
图2：在青海湖完成的百公里量子纠缠分发
潘建伟团队利用“墨子号”量子卫星在国际上率先完成了一系列具有开创意义的星地量子科学实验：完成了星地量子密钥分发[nature549, 43–47 (2017)]、北京到维也纳的洲际量子密钥分发[prl120, 030501 (2018)]，基于纠缠的无需可信中继量子密钥分发[nature582, 501-505 (2020); prl119, 200502 (2017)]，并进一步在量子保密通信京沪干线与“墨子号”量子卫星之间成功实现了对接[nature589, 214-219 (2021)]，验证了星地广域量子通信的可行性；实现了星地双向量子纠缠分发实验，观察到了星地间千公里距离的严格满足爱因斯坦定域性条件的bell不等式的破缺，验证了空间尺度量子纠缠的存在和量子力学基本原理的正确性[science356, 1140-1144 (2017)]；完成了首个地星量子隐形传态以及星地量子态远程传输，证明了在地星千公里距离上能够完成量子比特的传输，为全球化量子信息处理网络奠定了基础[nature549, 70–73 (2017);prl128, 170501 (2022)]；在完成了广域量子通信和量子力学基本问题检验的既定科学目标后，还在空间量子科学实验的其他方向展开了探索工作，利用上行量子信道，对一类预言引力场导致量子退相干的理论模型进行了实验检验，迈出了探索量子力学与广义相对论相融合的实验检验的第一步[science366, 132 (2019)]；将量子通信技术与量子精密测量技术相结合，实现了星地安全时频传输实验，验证了在空间尺度开展广域光频标研究的可行性[nature physics16, 848-852 (2020)]。这些空间量子科学实验成果使我国第一次在空间科学研究领域走到了世界最前列，牢牢占据了空间量子科学研究领域的主导和引领地位。
图3 “墨子号”卫星过境兴隆地面站
“墨子号”量子卫星项目的成功实施，进一步激发了全球关于空间量子实验的竞赛。2017年，美国宇航局（nasa）发布了关于未来空间量子物理发展方面的白皮书，以期在新一轮空间量子科学发展中重新建立“美国领先”（“re-establishing us leadership”）。 同期欧洲航天局（esa）也发布了空间量子技术的白皮书。在“墨子号”成功发射之后，世界各大强国纷纷开始了自己的量子卫星研发，推出了基于低轨道小型化量子卫星的计划和时间表。2021年6月，美国、英国、日本、加拿大、意大利、比利时和奥地利7国更是在g7峰会上达成合作，首次计划联合开发一个基于卫星的量子加密网络——“联邦量子系统”（fqs），利用量子技术的突破来防范日益复杂的网络攻击等。
该综述论文的最后对未来空间量子科学的主要发展方向进行了展望，提出空间量子科学研究必将从低轨道平台跨越到中高轨平台，甚至是深空平台。在此基础上，利用中高轨卫星平台覆盖范围广、实验时间长、微重力环境好等优势，将空间量子通信技术同时交叉应用于远距离高精度时频传递和空间超冷原子物理等领域，在量子精密测量、量子物理与广义相对论融合等基础科学问题方面获得更丰富的科学产出。
图4 未来量子星座蓝图
由于在远距离量子通信特别是“墨子号”量子卫星方面所取得的一系列具有开创性意义的工作，潘建伟等受邀为《现代物理评论》撰写的这篇46页的综述论文，全面介绍了国际空间量子科学研究近二十年来取得的成就，重点阐述了“墨子号”量子科学实验卫星从前期关键技术攻关，包括卫星系统、科学应用系统等六大系统的量子科学实验卫星的建设和研制，到卫星在轨运行后所取得的系统性科研成果，为国际学术界提供了宝贵的资料。
《现代物理评论》是国际物理学界最权威的综述性期刊，每年仅发表约四十篇学术论文。该期刊一般不接受自由投稿，主要是邀请在各领域卓有建树的物理学家执笔，旨在对当今物理研究的重大热点问题做历史总结、原理阐述、现状分析和趋向预测。此论文是潘建伟团队在该期刊上继2012年的“多光子纠缠和干涉度量学”（multiphoton entanglement and interferometry）以及2020年的“基于现实器件的安全量子密钥分发”（secure quantum key distribution with realistic devices）之后的第三篇综述论文。
论文链接：
（合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）