航天日上居然出現量子技術？
微觀量子與廣袤宇宙有何關係？
4月24日-5月3日，以“格物致知 叩問蒼穹”為主題的2023年“中國航天日”主場活動在安徽省合肥市舉辦，以“走向世界的中國航天”為主題的展覽同步開展。長征系列運載火箭、探月工程月壤樣本、“祝融號”火星車……一系列精彩紛呈的展品全方位地展現了我國航空航天事業取得的輝煌成就。
在主題展覽上，還有一塊量子信息展區，這裡展示了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”、世界首顆量子微納衛星、世界首條千公里級量子保密通信“京滬幹線”等領跑世界的量子信息技術及產業化成果。不少前來觀展的愛好者發出疑問：“量子信息”與“航空航天”似乎是毫不相干的兩個領域，為何這些展品會在這裡？
航天日量子信息現場
實際上，一直以來，我國量子技術與產業的發展與航空航天密不可分，無論是前沿的量子信息學術研究，還是實用的“星地一體量子保密通信網絡”，中國的量子信息技術在航空航天技術的助力下不斷衍化出創新成果，走向世界前沿，助力空間科學、空間技術、空間應用的發展。
“墨子號”，從0到1實現領跑
2016年8月16日1時40分，伴隨着隆隆巨響，我國在酒泉衛星發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星“墨子號”送上太空。為了這一天，中國的量子物理學家們，已經準備了10多年。
早在本世紀初，早在本世紀初，剛剛回國不久的中國科學技術大學教授潘建偉就以“構建全球範圍量子通信網”為目標，探索實現更遠距離的量子通信。這也是當時量子通信領域國際競爭的焦點之一。
2005年，潘建偉團隊完成了中國在自由空間量子通信領域的“開山之作”，在合肥的大蜀山頂，進行了全球首次長達13公里的自由空間量子糾纏分發和量子通信實驗；2010年，他們又成功實現當時世界上最遠距離的16公里量子隱形傳態；2012年實現全球首個上百公里的自由空間量子隱形傳態和量子糾纏分發……這一系列成果，對基於衛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進行了全方位的驗證。
而隨着“墨子號”的升空，中國科學家率先走進顛覆性科技的“無人區”。《華爾街日報》曾以“沉寂了一千年，中國誓回發明創新之巔”為標題發表專題文章，將“墨子號”作為中國創新能力提升的重要標誌。我國在量子通信領域從“跟跑者”轉變為了“領跑者”。
開啟了太空之旅的“墨子號”也不負眾望，僅用了一年時間就完成了既定的三大科學實驗任務——星地量子密鑰分發、星地量子糾纏分發以及地星量子隱形傳態。而截至目前，“墨子號”衛星一直在超期服役中，併產出了國際上首次千公里級基於糾纏的無中繼量子密鑰分發、1200公里地表量子態傳輸新世界紀錄等一系列成果。2022年的，諾貝爾物理學獎頒獎現場，展示了“墨子號”量子衛星的圖片，介紹了中國團隊的有關成果。
“量子星座”，從1到N向著更高峰邁進！
雖然一顆“墨子號”已經非常“優秀”，產出了諸多領跑世界的成果，但它無法單槍匹馬完成很多重要科研驗證。
“‘墨子號’只是一個起點，從實用的角度來說，必須要構建由高、中、低軌道衛星組成的‘量子星座’，建立覆蓋全球的量子通信網絡。”中國科學院院士王建宇表示，“目前，我們至少領先國際水平5年，如果基於中高軌的萬公里量子通信衛星順利發射，我們將至少領先10年。”
因此，我國量子衛星群計劃提上日程——計劃在5-10年內發射3-5顆低軌量子科學實驗衛星，和中高軌量子科學實驗衛星一起用“量子星座”覆蓋整個地球。這一方面是為了立足當下，加速量子通信實用化進程，另一方面是放眼未來，探索更具顛覆性的前沿領域。
2020年5月，中科院量子信息與量子科技創新研究院牽頭立項微納量子衛星項目。2022年7月27日，我國在酒泉衛星發射中心通過“力箭一號”運載火箭成功發射了世界首顆量子微納衛星“濟南一號”。
“濟南一號”發射中心
我國在量子通信領域再次領跑世界，而“領跑”也意味着沒有任何先例可供參考，順利完成科研攻關的難度可想而知。
“科研團隊突破了多項關鍵技術，這才有了‘濟南一號’的誕生。”衛星項目負責人之一、中國科學技術大學教授廖勝凱介紹到，“濟南一號”量子密鑰分發載荷只有23公斤，即使算上整星，也只有98公斤，僅是“墨子號”的六分之一，尺寸、功耗大大減小，研發成本和發射成本遠低於“墨子號”。
與此同時，衛星與地面“對話”也更加方便。科大國盾量子技術股份有限公司副總裁唐世彪博士介紹，由國盾量子研發生產的小型化量子衛星地面站較“墨子號”升空時，不僅成碼能力進一步提升，重量也由12噸降至100公斤以下，可以在遠洋海島、駐外機構等場景快捷部署……
而作為我國構建“量子星座”的首星，“濟南一號”將在未來幾年配合“墨子號”以及量子衛星地面站，完成一系列實驗任務，並進一步推動我國量子保密通信的商業化。
據已經成為中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長的潘建偉表示，他們目前正在與國家空間科學中心合作，研製一顆中高軌衛星，未來高軌衛星和低軌衛星結合，將建成廣域量子通信網絡。
“天地一體”，從N到N+面向星辰大海
可以說，一直以來航空航天技術的發展，為包括量子通信技術在內的諸多前沿技術的發展插上了翅膀。
一方面，“飛上太空”的量子信息技術，也可以為探索基礎物理研究提供重大支持。在航空航天技術的幫助下，我們可以基於量子衛星平台探索基於光鐘的引力波探測；也可以嘗試探測暗物質對基本常數的影響，以及國際基本計量單位傳遞能力等物理學基本原理檢驗，量子糾纏、量子非定域性和量子引力等方面的研究，進一步探索前沿科學和廣袤宇宙。
另一方面，包括“墨子號”在內的“量子星座”，通過量子衛星地面站進一步與地面光纖量子保密通信網絡結合，量子通信技術進一步實用化，服務政務、金融、能源等領域，直至走進千家萬戶。
星子星座效果圖
2017年，世界首條千公里級量子保密通信“京滬幹線”開通，並與“墨子號”成功對接，我國在世界上首次實現了洲際量子保密通信。2021年，國際頂級學術期刊《自然》雜誌以“跨越4600公里的天地一體化量子通信網絡”為題，報道了我國構建了世界上首個集成700多條地面光纖量子密鑰分發（QKD）鏈路和兩個衛星對地自由空間高速QKD鏈路的廣域量子通信網絡。《自然》雜誌審稿人評價稱，這是地球上最大、最先進的量子密鑰分髮網絡，是量子通信“巨大的工程性成就”。而到今天，我國地面光纖量子保密通信網絡總長已擴展至超1萬公里。
如今，由國家發改委批複建設的國家廣域量子保密通信網絡1期已建成，地面光纖量子網總長擴展至1萬公里；在安徽合肥，由中國電信攜手國盾量子、中電信量子建成的規模最大、覆蓋最廣、應用最多的量子保密通信城域網——合肥量子城域網已投入使用，加上兩顆閃耀在天際的量子星，中國的科學家們的夢想正一步步變為現實。
未來，我國將繼續構建多縱多橫的地面光纖量子保密通信網絡，並依託不斷進步的航空航天技術完善“量子星座”，從而構建能夠覆蓋全球的“天地一體”廣域量子保密通信網絡。這不僅將推動量子通信技術在政務、金融、能源等領域率先廣泛應用，實現量子通信網絡和經典通信網絡的無縫銜接，還將為形成具有國際引領地位的戰略性新興產業和下一代國家信息安全生態系統奠定基礎。
