中国科学家谋划用“墨子号”构建“量子星座”

中国首颗量子卫星“墨子号”在不到一年的时间里就完成了原定两年完成的星地高速量子密钥分发、量子纠缠分发和地星量子隐形传态实验三大科学目标。科学家制订了后续拓展实验计划，进一步探索量子通信技术研究与应用，并筹划发射数颗量子卫星，构建全球量子通信网络。

量子卫星首席科学家、中国科学院院士潘建伟介绍，其团队下一步将与欧洲量子通信团队合作进行洲际量子密钥分发。目前已经顺利完成与奥地利格拉茨地面站的对接测试，正在开展量子密钥分发实验，8月底将具备洲际量子保密通话的条件。

中国将与欧洲开展洲际量子密钥分发（中科院供图）

潘建伟说，中国与德国和意大利等国的洲际量子密钥分发合作也正在计划中。德国、意大利的地面站预计在2017年年底做好开展相关实验的准备。这表明“墨子号”不仅可跟中国的设备对接，也可与世界其他国家符合要求的设备对接。

此外，科研团队还将努力实现量子通信与经典光通信相融合的安全信息传输，与有需求的用户对接，开展量子通信现实应用。

潘建伟说，目前“墨子号”实现的天地量子密钥分发有个前提，就是“墨子号”必须可靠，因为密钥是“墨子号”发送的，如果“墨子号”把密钥泄露出去，那么整个过程就不安全了。

他说，科研团队下一步还要开展基于量子纠缠的远距离量子密钥分发实验。一旦成功，将最终实现所有密码学者梦想的“圣杯”。他希望这项工作今年能够完成。

中国科学家下一步将开展基于纠缠的远距离量子密钥分发（中科院供图）

在更长远的规划中，中国科学家的目标是建立全球化的量子通信网络。

量子卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇说，单颗低轨卫星无法直接覆盖全球。目前“墨子号”一次过境开展实验的时间约为10分钟。如果卫星在1万公里的轨道上，那么发送密钥的时间就可持续几个小时。如果卫星在3.6万公里的轨道上，地球的三分之一就能一直看到卫星，这些地方就在任何时候都可以保密通信。所以理论上有三颗高轨卫星就能覆盖全球。

“所以‘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。”王建宇说。

“墨子号”开展量子密钥分发（中科院供图）

然而，目前“墨子号”的量子密钥传输只能在地影区，也就是没有日光干扰的黑夜进行。“我们需要攻克全天时量子通信技术以及获得更高衰减信道下的量子通信能力。这是我们下一步实现全球量子保密通信必须要走的道路。”量子卫星科学应用系统总设计师、卫星系统副总设计师彭承志说。

最近，潘建伟、彭承志等科学家已经在地面实验中取得突破，在国际上首次成功实现白天远距离（53公里）自由空间量子密钥分发。这一突破验证了日光条件下星间和星地之间量子密钥分发的可行性，为未来构建基于量子卫星的星地、星间量子通信网络扫清了一大关键技术障碍。

2016年11月28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）。 新华社记者金立旺摄

“这证明卫星组网突破地影区限制是可行的，下一步我们会围绕这个方向进一步开展相关工作。”潘建伟说。

他说：“我们希望通过10年左右的努力，最终能够构建完整的空地一体广域量子通信网络体系，在国防、政务、金融和能源等领域广泛应用，并与经典通信网络实现无缝对接，推动形成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。也希望进一步探索对广义相对论、量子引力等物理学基本原理的检验。”

“如果国家支持发射多颗量子通信卫星，那么有希望到2030年左右，建成全球化的广域量子通信网络。”潘建伟说。