日前，中科院宣布，“墨子号”量子科学实验卫星在轨运行仅一年，就提前实现全部三大既定科学目标：量子密钥分发、量子纠缠分发、量子隐形传态。这标志着我国量子通信领域的研究在国际上达到全面领先的优势地位。
“墨子号”的最新两项成果，即：星地量子密钥分发和地星量子隐形传态，于10日同时在线发表于国际权威期刊《自然》（Nature）杂志上，该论文题目是《地星量子隐形传态》 （Ground-to-satellite quantum teleportation）。
论文表示，该研究揭示了从地面观测站到低地球轨道卫星（距离可达1400公里）之间的量子隐形传态。
Here we report the quantum teleportation from a ground observatory to a low-Earth-orbit satellite——with a distance of up to 1,400 km.
研究成功进行了6个待传送态的量子隐形传态，其置信度均超越经典极限。
We demonstrate successful quantum teleportation for six states with an average fidelity well above the classical limit.
该研究建立了第一个用于精确的远距离隐形量子传态的地星上行链路，这是迈向全球量子互联网的重要一步。
This work establishes the first ground-to-satellite up-link for faithful and ultra-long-distance quantum teleportation, an essential step towards global-scale quantum internet.
这是继6月15日在国际上率先实现千公里级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验的研究成果，并以封面文章形式发表在《科学》杂志后，我国科学家利用“墨子号”实现的空间量子物理研究另外两项重大突破。
（6月15日《科学》杂志封面）
《自然》杂志的审稿人称赞星地量子密钥分发成果是“令人钦佩的成就”和“本领域的一个里程碑”，并断言“毫无疑问将引起量子信息、空间科学等领域的科学家和普通大众的高度兴趣，以及公众媒体极为广泛的报道”。
此外，审稿人还称赞地星量子隐形传态，“代表了远距离量子通信持续探索中的重大突破”，“这个目标非常新颖并极具挑战性，它代表了量子通信方案现实实现中的重大进步”。
科普时间：三大目标，不明觉厉
CD君（ID：chinadailywx）曾在《网红卫星“墨子号”有什么过人之处，竟登上《科学》封面，让全球科学家“躁动”？ | 外媒说》这篇文章中，科普了量子、量子通信等名词，如果还是有不明觉厉的小伙伴，戳文章，复习一下。
看点
01
什么是量子纠缠分发？
量子通信的核心就是量子纠缠。量子纠缠是一种量子力学现象，是指量子在由两个或两个以上量子组成的系统中相互影响的现象。
通俗地说，就是两个处于纠缠状态的量子就像有“心灵感应”，无论相隔多远都可瞬间互相影响，爱因斯坦称之为“鬼魅般的远距作用”。
而量子纠缠分发，就是将一对有“感应”的量子分置于两地。尤其适用于保密通信，对传输信息进行安全加密，在此基础上进行的量子通信技术，被誉为信息安全的“终极武器”。
看点
02
什么是量子隐形传态？
量子隐形传态其实就是用隐形的方式传递量子的状态。
整个过程是这样的：地面实验站的工作人员会在地面上制备出一对光子，一个留在地面，一个发射到卫星上，二者产生纠缠。
同时，科研人员会制备出第三个光子，让其与地面上的光子发生新的纠缠。
同时，天上的光子不与地面光子纠缠，反而呈现出地面上第三个光子的状态，就好像把地面上第三个光子瞬间传送到空中。
《地星量子隐形传态》论文的第一作者、中科大上海研究院任继刚副研究员强调，量子隐形传态是利用量子纠缠可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送物质本身，远距离量子隐形传态是未来实现大尺度分布式量子信息处理网络的基本单元。
科学家想要做的就是，在星地之间首次验证这种类似于“瞬间穿越”的神奇效果。
通过量子隐形传态的方式，当“墨子号”过境时，与海拔5100m的西藏阿里地面站建立光链路。
地面光源每秒产生8000个量子隐形传态事例，地面向卫星发射纠缠光子，实验通信距离从500公里到1400公里，所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限。
如果采用传统的光纤，在同样长度的光纤中重复这一工作，则需要3800亿年（宇宙年龄的20倍）才能观测到1个事例，是非常缓慢且低效的。
因此，量子隐形传态为未来开展空间尺度量子通信网络研究，以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。
看点
03
什么是量子密钥分发？
量子密钥分发也是量子通信的研究内容之一。其作用在于保证通信的“绝对”安全！
与经典通信不同，量子密钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。
星地高速量子密钥分发是“墨子号”的科学目标之一。
量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号、地面接收的方式，“墨子号”过境时，与河北兴隆地面光学站建立光链路，通信距离从645公里到1200公里。在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级（万亿亿倍）。
这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。
此外，将量子通信地面站与合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线等城际光纤量子保密通信网互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。
“墨子号”是如何取得这些成就的？
从2016年8月16日发射至今，还不到一年时间，“墨子号”几乎是一路凯歌，取得了一个又一个胜利，让世界看到了中国在量子通讯方面取得的领先成就。
其实早在2003年，“墨子号”的概念就已经在中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟的脑海中孕育了。当时，他意识到，要构建一个实用化的全球量子保密通信网络，卫星是最可行的一个方案。因为，光子在地面光纤上的损耗率太大，而在星地之间，光子“走”的绝大部分路程接近真空。
2008年，潘建伟团队在北京八达岭完成了16公里的自由空间量子隐形传态。他们曾想效仿狼烟传信，在北京八达岭长城的烽火台上做实验，最终因为文物保护问题未能如愿，只能转战宾馆的楼顶。
（2016年10月12日，在北京举行的量子科学实验卫星成果新闻发布会上，潘建伟院士介绍量子卫星与兴隆站建立链路的图片。）
2011年，潘建伟团队又在青海湖实现了首个超过100公里的量子纠缠分发实验。在青海湖，他们完成了全方位的卫星技术论证，包括气浮平台、模拟星地相对运动、百公里级量子密钥分发实验等。
2011年底，中科院空间科学先导专项将“量子科学实验卫星”正式立项。
直到5年后，由我国完全自主研制的世界上第一颗空间量子科学实验卫星“墨子号”卫星终于升空。
“墨子号”的原定发射时间，是2016年7月。然而，就在出厂前不久，团队发现其中一个激光器的功率下降了。“当时专列都已经安排好了，进场东西都打包了”，团队核心成员之一的廖胜凯回忆道，“不过团队紧急分析讨论，不行，还是把它拆了，我们应该搞清楚，不能带着风险上天。”经过拆验后，团队发现是组装时的工艺应力问题。
经过工艺调整后，“墨子号”最终于8月16号成功发射。
经过四个月的在轨测试后，“墨子号”量子卫星于2017年1月18日正式交付开展科学实验。
2016年底，“墨子号”和人类首次探测到引力波等重大成果共同入选英国《自然》杂志点评的年度国际重大科学事件；“墨子号”作为唯一诞生于美国本土之外的创新技术入选《科学美国人》评选的2016年度“改变世界的十大创新技术”。
（河北兴隆站跟踪“墨子号”量子科学实验卫星的实景拍摄）
2016年6月15日，“墨子号”登上美国《科学》杂志封面，因“墨子号”量子卫星在世界上首次实现千公里量级的量子纠缠。这意味着量子通信向实用迈出了一大步。
（量子卫星与阿里站建立链路。图为中科院提供）
2017年7月26日，潘建伟教授团队在国际上首次实现了白天远距离（53公里）自由空间量子密钥分发，通过地基实验在信道损耗和噪声水平方面验证了未来构建基于量子星座的星地、星间量子通信网络的可行性。相关成果于7月24日在线发表于《自然·光子学》上。
（量子卫星工作团队）
2017年8月10日，我国科学家利用“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。两项成果在线发表在英国《自然》杂志上。至此，“墨子号”圆满实现全部三大既定科学目标。
许多网友看到“墨子号”量子卫星取得的一次次成功，感到欢欣鼓舞，并且表达了对中国科技繁荣的期待。
carlton李：在这个方面中国已经领先世界，今后科技成果会不断涌现，创新助力中国梦。
欧阳伯逸：这是我国科技界取得的重大成国，非凡成就，祝贺！
春生夏长丨秋收冬藏：只是开始，希望中国出现中文顶级科学杂志的那一天尽快到来。
墨之铭：前天看央视制作的焦点访谈讲的被外国网友称道的中国新四大发明，很期待量子系列能成为真正的新一代中国发明，不仅仅是量子通信，还有量子计算等等。
还有人甚至赋诗，表达对大国重器的骄傲和赞扬！
边疆子民守边疆：#大国重器四字歌#两弹一星，功勋伟业。神舟问天，嫦娥奔月。长征火箭，东风导弹。北斗卫 星，航空母舰。国产大飞，华龙核电。天宫在轨，遨游星际。天舟飞船，太空快递。蛟龙潜水，深海探秘。天鲸号船，造岛神器。高铁巨龙，飞驰神州。射电望远，探索宇宙。量子卫星，全球首发。太湖之光，智慧中华。蓝鲸一号，燃冰开发。
“墨子号”之后的量子通信将如何发展？
圆满完成了“墨子号”的三大科学试验任务，任继刚一方面松了一口气，一方面也兴奋起来：现在，他想要利用好“墨子号”的剩余寿命，获得尽可能多的第一手数据。
在这次量子隐形传态实验中，量子纠缠和贝尔态测量都是在阿里的地面站中进行的。下一步，团队将在星地量子纠缠分发的基础，再进行贝尔态测量，实现地面站之间的量子隐形传态。
“单兵作战”的“墨子号”位于近地轨道上，运行速度较快，而且受阳光、阴雨天气条件的限制，至少需要三天才能完成全球站点覆盖。
为了搭建全球量子通信网络，潘建伟团队必须发射更多低轨或高轨的量子通信卫星，组建星座，尽可能实现在地球上的任意地点，只要天气条件合适，即可实践量子通信。
（2016年11月9日，在河北兴隆观测站，“墨子号”量子科学实验卫星过境，科研人员在做实验（合成照片）。新华社 资料图）
“墨子号”团队还希望下一代量子通信卫星将不再怕光，能够白天上岗。
为了降低成本，团队会转向小型化的卫星——几十千克的微纳卫星。廖胜凯表示，下一批的量子通信卫星可能会批量生产。
成名后的“墨子号”还会增强国际合作。通过十几年的研究和实验，潘建伟团队在地面光纤和卫星量子通信领域都建立了国际领先的地位。廖胜凯提到，奥地利、德国、意大利都有团队，希望建立地面站，与“墨子号”进行合作实验。
“奥地利虽然也早已有类似的方案，但欧洲的决策支持力度不如国内。所以我们能比较快地走上这条成功的路。其实他们还是挺羡慕我们有机会去做这件事。”廖胜凯说道。
来源：人民日报、新华网、中科院官网、澎湃新闻等
编辑：胡雨濛、于小元（实习）、刘蕾（实习）
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