中国航天日展览上为什么会出现量子？

请问，航天跟量子之间是什么关系？

2023年4月24日至5月3日，第八个中国航天日主场活动在安徽省合肥市举行。以“走向世界的中国航天”为主题的展览，向公众展示了长征系列运载火箭、探月工程月壤样本、“祝融号”火星车等中国航天事业的辉煌成就。然而奇妙的是，在这个主题展览上居然还有一个量子信息展区。许多观众都很疑惑：量子为什么会出现在航天展？

有趣的答案来了：实际上，我国量子科技的发展与航天密不可分。无论是前沿的量子信息学术研究，还是实用的“天地一体化量子保密通信网络”，都离不开航天技术的支持，同时量子科技也在助力空间科学、空间技术、空间应用的发展。

这其中最明显也最著名的，大概就是“墨子号”卫星了，我们就先从这颗卫星说起。墨子号是世界上第一颗量子科学实验卫星，也就是说它是专门发到天上用来做量子科学实验的，以前就有很多国家想做，中国是第一个实现的。这是一个非常惊人的超车，因为做到它的既不是头号科技强国美国，也不是老牌科技强国如英国、法国、德国、日本，也不是量子领域的先行者如加拿大、奥地利、瑞士，而是量子领域的后起之秀中国。

世界首颗量子科学卫星“墨子号”

量子保密通信是1984年由美国科学家Charles Bennett和加拿大科学家Gilles Brasard提出的，它最大的好处就是在原理上可以抵抗一切计算破解，然而同时也有一个限制，就是不能传得太远，有一个有限的安全传输距离。传统的问题就是这个安全传输距离太短，在二十一世纪初的时候刚刚达到10公里。当时不少科学家认为这项技术已经到头了，再也没法前进了。然而当时，刚刚回国不久的中国科学技术大学教授潘建伟就立下了雄心壮志，希望实现更远距离的量子通信，构建全球量子通信网。

突破传统距离限制的方法之一，就是自由空间通信，即不用光纤，在空气或真空中直接用激光传输。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”，这个山是合肥的大蜀山，他们在大蜀山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，他们实现了当时最远距离的16公里量子隐形传态。2012年，他们实现了全球首个百公里自由空间量子隐形传态和量子纠缠分发，同时还开展了浮空气球跟瞄实验、车载平台实验……通过这一系列实验，对基于卫星的全球量子通信网络的可行性进行了全方位的验证。

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将墨子号送入太空。这标志着我国从量子通信的跟跑者变成了领跑者，在全世界引起巨大轰动。例如《华尔街日报》的报道标题是，“沉寂了一千年，中国誓回发明创新之巅”。

这里有一个有趣的插曲，就是潘建伟的博士导师、2022年诺贝尔物理学奖获得者、前奥地利科学院院长Anton Zeilinger。他原本想推动奥地利第一个发射量子科学实验卫星，但中国团队的进展更快，中国政府的支持力度更大，最后他也成为了中国团队的合作者。在2022年诺贝尔奖颁奖现场，他就展示了墨子号的照片，介绍了相关成果。

人们经常会问，墨子号是干什么的？如果只用一句话来回答，那么就是实现星地之间的量子通信。如果详细一点，那么回答是墨子号有三大科学任务——星地量子密钥分发、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态。第一个，星地量子密钥分发，指的是在卫星和地面站之间实现量子保密通信。第二个，星地量子纠缠分发，指的是卫星产生一对纠缠的光子对，把它们发送到地上两个不同的地面站，然后地面站还能证实这些光子对确实是处于纠缠的。第三个，地星量子隐形传态，指的是利用量子纠缠，把地面一个光子的状态转移到卫星上的一个光子上。在上天一年之内，墨子号就圆满完成了这三大科学任务，实现了量子科技研究的巨大跨越。

在此之后，墨子号原本可以光荣退役了。实际上，它的设计服役期只到2019年1月。然而有趣的是，墨子号上面各个仪器的状态保持得非常好，结果它一直超期服役到现在，我们一直在用它做实验，这就是纯粹的“赚到了”。在这段超期服役的时间内，墨子号又实现了实验检验广义相对论与量子力学融合的理论、千公里级基于纠缠的无中继量子密钥分发、1200公里地表量子态传输新世界纪录等一系列新成果。

这其中最特别的就是检验广义相对论与量子力学融合的理论，因为你看，它压根不是个常规的量子信息研究嘛！它是整个物理学最基础的理论基础的基础研究。

来介绍一下背景：广义相对论与量子力学都是当今物理学的基础理论，但它们俩目前还没有统一。这显然不是个正常的状况，因为如果你仔细想想，你就会想到，基础理论怎么会有两个呢？如果是真正基础的理论，应该只有一个才对。所以许多科学家在努力把广义相对论和量子力学统一起来，这是整个科学界最重要的前沿之一。

近年来，澳大利亚科学院院士Timothy Ralph等人提出一种理论模型，叫做“事件形式”。按照这种理论的预测，纠缠在引力场中会衰减。这就意味着地球表面和太空中的纠缠程度会不一样，因为地面的引力场比在太空中强。那么这是不是真的呢？墨子号刚好能检测这个，因为它可以实现星地之间的纠缠分发。于是中国科学家做了这个实验，结果是没有发现这样的现象，所以证伪了这个“事件形式”理论。

实际上，比这个具体结果更重要的是一个大图景。统一广义相对论和量子力学的理论尝试早就有很多种，但最大的问题是空对空，以前都无法实验检测。而这是人类第一次用实验来判断这样的理论，这才是真正重要的。假如发现了新的物理现象，就意味着我们对量子力学和引力理论的理解需要做出重大修正，这将成为真正的科学革命，意义无比重大。这个例子说明，墨子号的作用是包括而不限于量子通信，它还成为了全人类基础研究的一个重要基础设施。

下一步是什么呢？一颗量子卫星能成功，下一步就是建设量子卫星群。我国计划在5至10年内发射3至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。墨子号常务副总师王建宇院士表示：“‘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。目前，我们至少领先国际水平5年。如果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。”

建设星座就需要把卫星小型化，降低成本。2022年7月27日，酒泉卫星发射中心用“力箭一号”运载火箭发射了世界首颗量子微纳卫星“济南一号”。卫星项目负责人之一、中国科学技术大学教授廖胜凯介绍，济南一号的量子密钥分发载荷只有24公斤，整星也只有96公斤，仅是墨子号的六分之一，尺寸、功耗大大减小，研发成本和发射成本远低于墨子号。

“济南一号”发射现场 图源：新华社

这听起来是不是很像中国人熟悉的模式？先是突破门槛，然后就是上规模、降成本，最后主导了这个行业。人们经常把这称为从1到N，这是中国最熟悉的节奏。但跟一般不同的是，这个领域的从0到1也是中国实现的。

另一个层面的进步是，卫星与地面对话也变得更加方便。科大国盾量子技术股份有限公司副总裁唐世彪博士介绍，由国盾量子研发生产的小型化量子卫星地面站跟墨子号升空时相比，不仅成码能力提升，重量也由13吨降至不到100公斤，可以在远洋海岛、驻外机构等场景快捷部署。这里最有趣的就是驻外机构这个词，大家可以想想这是为什么：因为他们对保密的需求是最高的，而布置设备的条件是非常有限的，所以小型化的量子保密通信设备对他们极其重要。

前面说的都是航天技术对量子信息的帮助，反过来，量子信息对航天以及其他领域也能提供很多帮助，可以把这称为从N到N+。例如大家每天用的卫星导航系统，其中的核心技术就是原子钟，它是目前最精密的时间测量设备，这就是一种量子精密测量技术。

在基础研究方面，除了刚才讲的检验相对论与量子力学的融合之外，将来我们可以基于量子卫星平台，探索基于光钟的引力波探测，以及尝试探测暗物质对基本常数的影响，以及检验国际基本计量单位传递能力，还可以开展量子纠缠、量子非定域性和量子引力等方面的研究。这方面深奥起来，真是没有边的，这是中国对人类基础研究做出重大贡献的好机会。

在实际应用方面，中国也走在世界最前列。2017年9月29日，中国建成了世界第一条量子保密通信骨干网“京沪干线”，在2000公里的距离上实现了量子保密通信。京沪干线还和墨子号成功对接，时任中国科学院院长白春礼和奥地利科学院院长Anton Zeilinger通过墨子号实现了世界第一次洲际量子保密通信。目前，我国已建成国家广域量子保密通信网络一期，地面光纤量子网总长超过了一万公里。在安徽合肥，由中国电信携手国盾量子、中电信量子建成的规模最大、覆盖最广、应用最多的量子保密通信城域网——合肥量子城域网已投入使用。加上两颗闪耀在天际的量子星，中国科学家的梦想正一步步变为现实。

量子保密通信“京沪干线”路线图

未来，我国将在地面继续构建多纵多横的光纤量子保密通信网络，在天上完善量子星座，两者结合起来构建覆盖全球的天地一体化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。