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中國科大潘建偉團隊在《現代物理評論》上發表空間量子實驗綜述，曹原也參加啦
近期，中國科學技術大學潘建偉及其同事彭承志、陸朝陽、曹原應邀在國際物理學權威綜述期刊《現代物理評論》（Review of Modern Physics）上發表題為「基於『墨子號』衛星的空間量子實驗」（Micius quantum experiments in space）的長篇綜述論文。有趣的是：曹原博士也參加這項工作。不過這不是科大少年班學院10級校友、MIT石墨烯神童曹原哦。文後有這位曹原的介紹，您別搞混了。
該論文從量子信息理論的基本概念、早期量子通信和量子信息相關原理性實驗、面向衛星的地面大空間尺度驗證實驗，以及「墨子號」衛星從立項、研製、在軌運行到最終在國際上率先完成一系列星地量子科學實驗，進行了系統性的闡述和總結。同時，該綜述論文還對國際空間量子科學的研究進展進行了梳理。「墨子號」的成功激勵了國際空間量子科學的研究熱潮，美國、歐盟、日本等國際上的各方力量隨後皆開始探索自己的廣域量子通信之路，提出或加速了一系列空間量子科學布局。論文的最後，對於進一步構建覆蓋全球的量子通信網絡和基於空間平台的量子物理基礎研究進行了前瞻性的展望，表明「墨子號」系列實驗開啟了利用空間平台開展量子信息和量子物理前沿研究的廣闊天地。
圖1：《現代物理評論》論文網頁
量子通信基於量子物理學的基本原理，克服了經典加密技術內在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式，可以從根本上解決國防、金融、政務、商業等領域的信息安全問題。量子通信通常採用單光子作為物理載體，最為直接的傳輸方式是光纖或者近地面自由空間信道。但是，這兩種信道的損耗都會隨着距離的增加而指數式增加，近地大氣信道還會受到地球曲率的影響。由於量子不可克隆原理，量子通信的信號不能像經典通信那樣被放大，這使得之前量子通信的世界紀錄只有百公里量級。因此，如何實現安全、長距離、可實用化的量子通信是該領域的最大挑戰和國際學術界幾十年來奮鬥的共同目標。
由於外太空幾乎真空，對於光信號的吸收損耗幾乎為零，因此通過衛星的輔助可以極大擴展量子通信距離。本世紀初以來，該方向已成為了國際學術界激烈角逐的焦點。潘建偉團隊為實現星地量子通信開展了一系列先驅性的實驗研究。2003年，該團隊提出了利用衛星實現星地間量子通信、構建覆蓋全球量子保密通信網的方案，隨後於2004年在國際上首次實現了水平距離13公里（大於大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發，驗證了穿過大氣層進行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰略性先導科技專項「量子科學實驗衛星」正式立項。2012年，潘建偉領銜的中科院聯合研究團隊在青海湖實現了首個百公里的雙向量子糾纏分發和量子隱形傳態，充分驗證了利用衛星實現量子通信的可行性。2013年，中科院聯合研究團隊在青海湖實現了模擬星地相對運動和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發實驗，全方位驗證了衛星到地面的量子密鑰分發的可行性。隨後，該團隊經過艱苦攻關，克服種種困難，最終成功研製了「墨子號」量子科學實驗衛星。「墨子號」衛星於2016年8月16日在酒泉衛星發射中心發射升空，經過四個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學實驗。
圖2：在青海湖完成的百公里量子糾纏分發
潘建偉團隊利用「墨子號」量子衛星在國際上率先完成了一系列具有開創意義的星地量子科學實驗：完成了星地量子密鑰分發[Nature549, 43–47 (2017)]、北京到維也納的洲際量子密鑰分發[PRL120, 030501 (2018)]，基於糾纏的無需可信中繼量子密鑰分發[Nature582, 501-505 (2020); PRL119, 200502 (2017)]，並進一步在量子保密通信京滬幹線與「墨子號」量子衛星之間成功實現了對接[Nature589, 214-219 (2021)]，驗證了星地廣域量子通信的可行性；實現了星地雙向量子糾纏分發實驗，觀察到了星地間千公里距離的嚴格滿足愛因斯坦定域性條件的Bell不等式的破缺，驗證了空間尺度量子糾纏的存在和量子力學基本原理的正確性[Science356, 1140-1144 (2017)]；完成了首個地星量子隱形傳態以及星地量子態遠程傳輸，證明了在地星千公里距離上能夠完成量子比特的傳輸，為全球化量子信息處理網絡奠定了基礎[Nature549, 70–73 (2017);PRL128, 170501 (2022)]；在完成了廣域量子通信和量子力學基本問題檢驗的既定科學目標後，還在空間量子科學實驗的其他方向展開了探索工作，利用上行量子信道，對一類預言引力場導致量子退相干的理論模型進行了實驗檢驗，邁出了探索量子力學與廣義相對論相融合的實驗檢驗的第一步[Science366, 132 (2019)]；將量子通信技術與量子精密測量技術相結合，實現了星地安全時頻傳輸實驗，驗證了在空間尺度開展廣域光頻標研究的可行性[Nature Physics16, 848-852 (2020)]。這些空間量子科學實驗成果使我國第一次在空間科學研究領域走到了世界最前列，牢牢佔據了空間量子科學研究領域的主導和引領地位。
圖3 「墨子號」衛星過境興隆地面站
「墨子號」量子衛星項目的成功實施，進一步激發了全球關於空間量子實驗的競賽。2017年，美國宇航局（NASA）發佈了關於未來空間量子物理髮展方面的白皮書，以期在新一輪空間量子科學發展中重新建立「美國領先」（「re-establishing US leadership」）。同期歐洲航天局（ESA）也發佈了空間量子技術的白皮書。在「墨子號」成功發射之後，世界各大強國紛紛開始了自己的量子衛星研發，推出了基於低軌道小型化量子衛星的計劃和時間表。2021年6月，美國、英國、日本、加拿大、意大利、比利時和奧地利7國更是在G7峰會上達成合作，首次計劃聯合開發一個基於衛星的量子加密網絡——「聯邦量子系統」（FQS），利用量子技術的突破來防範日益複雜的網絡攻擊等。
該綜述論文的最後對未來空間量子科學的主要發展方向進行了展望，提出空間量子科學研究必將從低軌道平台跨越到中高軌平台，甚至是深空平台。在此基礎上，利用中高軌衛星平台覆蓋範圍廣、實驗時間長、微重力環境好等優勢，將空間量子通信技術同時交叉應用於遠距離高精度時頻傳遞和空間超冷原子物理等領域，在量子精密測量、量子物理與廣義相對論融合等基礎科學問題方面獲得更豐富的科學產出。
圖4 未來量子星座藍圖
由於在遠距離量子通信特別是「墨子號」量子衛星方面所取得的一系列具有開創性意義的工作，潘建偉等受邀為《現代物理評論》撰寫的這篇46頁的綜述論文，全面介紹了國際空間量子科學研究近二十年來取得的成就，重點闡述了「墨子號」量子科學實驗衛星從前期關鍵技術攻關，包括衛星系統、科學應用系統等六大系統的量子科學實驗衛星的建設和研製，到衛星在軌運行後所取得的系統性科研成果，為國際學術界提供了寶貴的資料。
《現代物理評論》是國際物理學界最權威的綜述性期刊，每年僅發表約四十篇學術論文。該期刊一般不接受自由投稿，主要是邀請在各領域卓有建樹的物理學家執筆，旨在對當今物理研究的重大熱點問題做歷史總結、原理闡述、現狀分析和趨向預測。此論文是潘建偉團隊在該期刊上繼2012年的「多光子糾纏和干涉度量學」（Multiphoton entanglement and interferometry）以及2020年的「基於現實器件的安全量子密鑰分發」（Secure quantum key distribution with realistic devices）之後的第三篇綜述論文。
論文鏈接：https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.94.035001
曹原，男，中國科學技術大學副研究員，博士生導師。2012年獲中國科學技術大學理學博士學位。研究領域為自由空間量子通信與量子物理基本問題實驗研究，近期主要感興趣的研究方向包括：新型量子糾纏源，大空間尺度的量子光干涉及其在探索量子理論與廣義相對論融合方面的應用，單光子三維成像等。相關研究成果多次入選中國十大科技進展等評選，以第一作者身份完成的基於量子Zeno效應實現反事實直接量子通信的相關工作入選了英國物理學會旗下網站《Physics World》評選的2017年度世界十大物理學突破。曾任墨子號量子科學實驗衛星量子糾纏源分系統副主任設計師；曾獲量子信息與量子科技前沿協同創新中心墨子傑出博士後稱號（2015年）；中國科學院青年創新促進會會員（2018年）；中國電子學會量子信息分會委員。
文章來源：上海研究院
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