彭承志 潘建偉**

1 中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心 合肥 230026 2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230026

量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星
——“墨子號(hào)”*

彭承志1,2潘建偉1,2**

1 中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心 合肥 230026 2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230026

北京時(shí)間2016 年8 月16日凌晨1 時(shí)45 分，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。該衛(wèi)星是世界第一顆從事空間尺度量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的衛(wèi)星。升空之后，它將配合多個(gè)地面站，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)星地高速量子密鑰分發(fā)、星地雙向量子糾纏分發(fā)及空間尺度量子非定域性檢驗(yàn)、地星量子隱形傳態(tài)，以及探索廣域量子密鑰組網(wǎng)等實(shí)驗(yàn)。“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星將擴(kuò)大我國(guó)在量子通信領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位，為未來(lái)覆蓋全球的天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)建立基礎(chǔ)，并將加深人類(lèi)對(duì)量子力學(xué)基本原理的理解。

量子通信，量子密鑰分發(fā)，廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，量子糾纏分發(fā)，量子隱形傳態(tài)，量子力學(xué)非定域性

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.09.015

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)中首批確定的5顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一，該項(xiàng)目目標(biāo)為建立衛(wèi)星與地面遠(yuǎn)距離量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在此平臺(tái)上完成空間大尺度量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)，以期取得量子力學(xué)基礎(chǔ)物理研究重大突破和一系列具有國(guó)際顯示度的科學(xué)成果。

量子通信基于量子物理學(xué)的基本原理，克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明是無(wú)條件安全的通信方式，可以從根本上解決國(guó)防、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問(wèn)題。目前，基于光纖的城域和城際量子通信技術(shù)正在走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化，我國(guó)在這方面已經(jīng)走在了世界前列。但是由于光纖的固有損耗以及單光子狀態(tài)的不可復(fù)制性，目前點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖量子通信的距離難以突破百公里量級(jí)。因此，要實(shí)現(xiàn)廣域乃至全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)，還需要借助衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)。

因此，從2003 年起，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)率先開(kāi)展遠(yuǎn)距離自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)研究。2004 年底，潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了 13 公里自由空間的量子糾纏分發(fā)和量子密鑰分發(fā)，在國(guó)際上首次證實(shí)了光子糾纏態(tài)在穿透大氣層后，其量子性質(zhì)仍然能有效保持，驗(yàn)證了星地量子通信的可行性[1]。此后，在“遠(yuǎn)距離量子通信實(shí)驗(yàn)研究”和“空間尺度量子實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)與驗(yàn)證”兩個(gè)中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目的支持下，潘建偉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院上海技術(shù)物理所、中科院微小衛(wèi)星工程中心等單位，開(kāi)展了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破與地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，先后實(shí)現(xiàn)了16公里自由空間量子隱形傳態(tài)[2]、100公里級(jí)自由空間量子隱形傳態(tài)和雙向量子糾纏分發(fā)[3]、星地量子通信的全方位地基驗(yàn)證[4]等重要實(shí)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)星地量子通信奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

在完成上述系列關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，2011 年底，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)牽頭提出并策劃的中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正式立項(xiàng)。量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星建設(shè)和研制任務(wù)包括衛(wèi)星系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)、地面支撐系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)六大系統(tǒng)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)牽頭負(fù)責(zé)確立整個(gè)專(zhuān)項(xiàng)的科學(xué)研究目標(biāo)、總體技術(shù)目標(biāo)和總體實(shí)驗(yàn)基本方案，負(fù)責(zé)科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的研制，并與中科院上海技術(shù)物理所合作完成有效載荷研制，包括負(fù)責(zé)研制量子糾纏源、量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)，參與研制量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)；上海微小衛(wèi)星工程中心負(fù)責(zé)衛(wèi)星平臺(tái)研制；中科院國(guó)家天文臺(tái)和中科院光電技術(shù)院負(fù)責(zé)量子通信地面站的建設(shè)。量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星突破了包括同時(shí)瞄準(zhǔn)兩個(gè)地面站的高精度星地光路對(duì)準(zhǔn)、星地偏振態(tài)保持與基矢校正、星載量子糾纏源等一系列關(guān)鍵工程技術(shù)。

“墨子號(hào)”重量約 640 公斤，設(shè)計(jì)壽命為兩年，運(yùn)行在高度約 500 公里的極地軌道。目前，“墨子號(hào)”已進(jìn)入預(yù)定軌道，開(kāi)始為期約 3 個(gè)月的在軌測(cè)試。星地量子信道已經(jīng)建立，如圖 1 所示，地點(diǎn)為國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站。所有測(cè)試完成后，將在首席科學(xué)家的領(lǐng)導(dǎo)下，由科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)組織完成星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)等多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)項(xiàng)預(yù)定的科學(xué)目標(biāo)：

（1） 進(jìn)行星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，以期在空間量子保密通信實(shí)用化方面取得重大突破；

（2） 在空間尺度進(jìn)行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。

1 高速量子密鑰分發(fā)及廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)

量子密鑰分發(fā)（Quantum key distribution）克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患，是迄今唯一被嚴(yán)格證明是無(wú)條件安全的通信方式，可以從根本上解決國(guó)防、金融、政務(wù)、能源、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問(wèn)題。量子密鑰分發(fā)起源于1984年IBM實(shí)驗(yàn)室的Bennett和加拿大蒙特利爾大學(xué)的Brassard共同提出的量子密鑰分發(fā)協(xié)議，即著名的BB84協(xié)議[5]。該協(xié)議基于單個(gè)光量子不可分割和量子不可克隆原理，發(fā)送方和接收方采用單光子的狀態(tài)作為信息載體來(lái)建立密鑰。竊聽(tīng)者不能分割和復(fù)制單光子，只能截取單光子后測(cè)量其狀態(tài)，然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果發(fā)送一個(gè)相同狀態(tài)的光子給接收方，以期竊聽(tīng)行為不被察覺(jué)。但由于竊聽(tīng)者的測(cè)量行為會(huì)對(duì)光子的狀態(tài)產(chǎn)生擾動(dòng)，其發(fā)送給接收方的光子的狀態(tài)與其原始狀態(tài)會(huì)存在偏差，發(fā)送方和接收方可以利用這個(gè)偏差探測(cè)到竊聽(tīng)行為，因而保證了量子密鑰分發(fā)的無(wú)條件安全性。Shor、Preskill[6]、Lutkenhaus[7]和Mayer[8]等人先后獨(dú)立地證明了使用理想單光子源的BB84協(xié)議是安全的，并在考慮竊聽(tīng)、噪聲、非理想單光子源等條件的情況下，給出了量子密碼的安全成碼效率公式。

圖1 建立星地量子鏈路

1991年，Bennett等在 32 厘米的距離上演示了首個(gè)量子密鑰分發(fā)[9]。1995年，中科院物理所吳令安小組在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了我國(guó)最早的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)演示[10]。2000年，該小組又與中科院研究生院合作利用單模光纖完成了1.1公里的量子密鑰分發(fā)演示實(shí)驗(yàn)[11]。2002—2003年間，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)Gisin小組和我國(guó)華東師范大學(xué)曾和平小組分別在67公里和50公里光纖中演示了量子密鑰分發(fā)[12,13]。2004年，英國(guó)劍橋大學(xué)Shields小組和日本NEC公司分別實(shí)現(xiàn)了122公里和150公里的光纖量子密鑰分發(fā)演示性實(shí)驗(yàn)[14,15]。2005年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦小組在北京和天津之間也實(shí)現(xiàn)了125公里光纖的量子密鑰分發(fā)演示性實(shí)驗(yàn)。截至 2005 年，國(guó)際上已有 3 個(gè)實(shí)驗(yàn)小組聲稱可將量子通信距離達(dá)到 100 公里以上。

然而，由于理想單光子源的實(shí)用化一直沒(méi)有滿意的結(jié)果，在理想單光子源缺乏的情況下，利用弱相干光源成為一種方便的選擇。但由于弱相干光源中存在多光子事件，如同Brassard所指出的，這存在所謂“分離光子數(shù)”攻擊，即竊聽(tīng)者將單光子事件完全阻隔，而將多光子事件保留并從中截取一個(gè)光子來(lái)獲得密鑰信息[16]。根據(jù)理論推算，這些演示實(shí)際上在光纖長(zhǎng)度超過(guò)10公里時(shí)已經(jīng)不安全了。這嚴(yán)重影響了量子密鑰分發(fā)技術(shù)的實(shí)用化。

2005年，華人科學(xué)家王向斌、羅開(kāi)廣、馬雄峰和陳凱等提出了經(jīng)過(guò)嚴(yán)格理論分析的誘騙態(tài)方案[17,18]，使用弱相干激光光源就可以得到和理想單光子源幾乎一樣的安全性和效率。2007年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉小組利用誘騙態(tài)方案，在國(guó)際上首次將光纖量子通信的安全距離突破100公里，打開(kāi)了量子密鑰分發(fā)技術(shù)實(shí)用化的大門(mén)[19]。在此基礎(chǔ)上，潘建偉團(tuán)隊(duì)在2008年和 2009 年先后實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首個(gè)光量子電話網(wǎng)和全通型城域量子通信網(wǎng)絡(luò)[20,21]。2009年，潘建偉團(tuán)隊(duì)又在世界上率先將誘騙態(tài)方案量子密鑰分發(fā)的安全距離突破至 200 公里[22]。

伴隨著地面光纖網(wǎng)絡(luò)的建成，還需要通過(guò)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)星地之間的量子密鑰分發(fā)，從而滿足更遠(yuǎn)距離的量子保密通信需求?；谛l(wèi)星等航天器的空間量子通信有著地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。第一個(gè)原因是在同樣距離下，光子在光纖中的損耗遠(yuǎn)高于自由空間的損耗。光子在自由空間的損耗主要來(lái)自光斑的發(fā)散、大氣對(duì)光子的吸收和散射，遠(yuǎn)小于光纖；第二個(gè)原因是受到地面條件的限制，很多地方無(wú)法鋪設(shè)量子通信的專(zhuān)用光纖。因此要建設(shè)覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)，必需依賴衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)。

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星設(shè)置了星地高速量子密鑰分發(fā)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，即在高精度捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的輔助下，建立地面與衛(wèi)星之間超遠(yuǎn)距離的量子信道，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)，開(kāi)展無(wú)條件安全的星地量子保密通信實(shí)驗(yàn)，量子密鑰初始碼產(chǎn)生率約為10kbps，為建立全球范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)打下技術(shù)基礎(chǔ)（圖 2）。

圖2 星地量子密鑰分發(fā)示意圖

“墨子”號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星將在實(shí)現(xiàn)高速星地量子密鑰分發(fā)的基礎(chǔ)上，與兩個(gè)光學(xué)地面站及其附屬的兩個(gè)局域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的方式組建真正意義上的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)（圖 3）。

圖3 廣域量子通信路線圖

2 量子糾纏分發(fā)和貝爾不等式檢驗(yàn)

“量子糾纏”是一種多體量子疊加態(tài)。以雙粒子為例，一個(gè)粒子 A 可以處于疊加態(tài)，可以用一個(gè)量子比特來(lái)表示，即ψA=α | 0〉A(chǔ)+β | 1〉A(chǔ)，其中 | 〉為狄拉克符號(hào)，代表量子態(tài)。α和β是任意兩個(gè)復(fù)數(shù)，滿足關(guān)系|α|2+|β|2=1。當(dāng)兩個(gè)粒子（A 和 B）發(fā)生糾纏，就會(huì)形成一個(gè)雙粒子的疊加態(tài)：ψAB= α | 0〉A(chǔ)| 1〉B+ β | 1〉A(chǔ)| 0〉B，這就是一個(gè)糾纏態(tài)。對(duì)這兩個(gè)粒子進(jìn)行{| 0〉, | 1〉}基的測(cè)量，當(dāng) A 粒子的測(cè)量結(jié)果是 | 0〉時(shí)，B 粒子的一定測(cè)量結(jié)果是| 1〉；反之，當(dāng) A 粒子的測(cè)量結(jié)果是 | 1〉時(shí)，B 粒子的一定測(cè)量結(jié)果是 | 0〉。這種AB粒子之間的狀態(tài)關(guān)聯(lián)是非局域的，即使對(duì)AB的測(cè)量是在類(lèi)空間隔進(jìn)行，也會(huì)得到同樣的結(jié)果，這就是量子力學(xué)的非定域性。

量子糾纏得到重視始于愛(ài)因斯坦對(duì)量子力學(xué)的批評(píng)，他認(rèn)為量子力學(xué)是不完備的，不符合自己根據(jù)相對(duì)論提出的“局域?qū)嵲谠怼保↙ocal realism）：（1）物質(zhì)實(shí)體獨(dú)立于任何測(cè)量而存在；（2）物質(zhì)之間的任何影響都是時(shí)空局域的，即不能超過(guò)光速。

1935年，愛(ài)因斯坦和波多爾斯基（Podolsky）、羅森（Rosen）一同提出了著名的 EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）佯謬[23]，用來(lái)論證量子力學(xué)的不完備性：根據(jù)海森堡的不確定關(guān)系，無(wú)法同時(shí)測(cè)量一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量的精確值。于是EPR佯謬設(shè)想兩個(gè)相互作用的粒子 A 和 B，總動(dòng)量確定（即一個(gè)EPR對(duì)）。當(dāng)兩個(gè)粒子分隔距離很遠(yuǎn)時(shí)，測(cè)量 A 的位置可得到精確值；同時(shí)測(cè)量 B 的動(dòng)量也可得到精確值，從而計(jì)算出 A 的動(dòng)量的精確值，這就同時(shí)精確測(cè)量了 A 的位置和動(dòng)量，違反了不確定關(guān)系。這種跨越空間的瞬間影響雙方的量子糾纏曾經(jīng)被愛(ài)因斯坦稱為“鬼魅的超距作用”（spooky action at a distance）

但量子力學(xué)中不是這樣。因?yàn)榱Ｗ?A 和 B 處于“糾纏態(tài)”，當(dāng)精確測(cè)量 A 的位置時(shí)，影響到了 B，使 B 的動(dòng)量無(wú)法精確測(cè)量，反之亦然。因?yàn)閮蓚€(gè)粒子已經(jīng)相距很遠(yuǎn)并且無(wú)相互作用，于是EPR文章中認(rèn)為量子糾纏暗示了：（1）要么這兩個(gè)粒子存在某種超過(guò)光速的非局域（Non-locality）相互作用而違背相對(duì)論；（2）要么量子力學(xué)的描述是不完備的，存在未知的“隱變量”來(lái)抵消這種非局域相互作用，使 A 和 B 依然符合定域?qū)嵲谠怼?/p>

1964年愛(ài)爾蘭物理學(xué)家貝爾推導(dǎo)出一個(gè)不等式，可用來(lái)判定量子力學(xué)和隱變量理論誰(shuí)正確[24]。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合貝爾不等式，則隱變量理論勝出；如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果違反了貝爾不等式，則量子力學(xué)勝出。20世紀(jì)80年代John Clauser、Stuart Freedman和Alain Aspect等人的一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)了量子糾纏的確違反貝爾不等式[25-27]，從而否定了局域隱變量的存在。后來(lái)的幾次檢驗(yàn)貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)都證實(shí)量子糾纏是非定域的，因此愛(ài)因斯坦的定域性原理需要舍棄。2015年荷蘭代爾夫特大學(xué)的 Hanson研究組實(shí)現(xiàn)了同時(shí)關(guān)閉探測(cè)效率漏洞和局域性漏洞的貝爾不等式檢驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了量子非定域性[27]。

而要實(shí)現(xiàn)對(duì)量子非定域性的終極檢驗(yàn)，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Anthony Leggett指出，還需要引入人的自由意志來(lái)徹底杜絕可能存在于各種儀器中的隱變量，這就需要在人的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)來(lái)進(jìn)行類(lèi)空間隔的貝爾不等式檢驗(yàn)，量子糾纏的分發(fā)要達(dá)到數(shù)十萬(wàn)公里的距離。這樣遙遠(yuǎn)的距離就必須要求在外太空進(jìn)行。同時(shí)，量子糾纏是否會(huì)受到引力的影響，仍然需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星將量子糾纏光源放置于衛(wèi)星平臺(tái)上，同時(shí)向兩個(gè)相距千公里的地面站進(jìn)行雙向量子糾纏分發(fā)。在完成量子糾纏分發(fā)后，對(duì)糾纏光子同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的量子測(cè)量，檢驗(yàn)糾纏態(tài)在星地大尺度下的糾纏特性，即在世界上首次開(kāi)展空間尺度量子力學(xué)非定域性（即貝爾不等式檢驗(yàn)）的實(shí)驗(yàn)研究，并為未來(lái)實(shí)現(xiàn)引入自由意志的量子非定域性終極檢驗(yàn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

3 地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)

量子隱形傳態(tài)（Quantum teleportation），是在量子糾纏的輔助下，將粒子的未知量子態(tài)傳送到遙遠(yuǎn)的距離，而不用傳送這個(gè)粒子本身[29,30]。因?yàn)榱孔佑?jì)算需要直接處理量子比特，于是“量子隱形傳態(tài)”這種直接傳的量子比特傳輸將成為未來(lái)量子計(jì)算之間的量子通信方式，多體[31]、多終端[32]、多自由度[33]的量子隱形傳態(tài)是構(gòu)建分布式量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元。

量子隱形傳態(tài)的過(guò)程一般分如下 4 步。

（1）制備一個(gè)糾纏粒子對(duì)，將粒子1發(fā)射到 A 點(diǎn)，粒子 2 發(fā)送至 B 點(diǎn)（圖 4）。

圖4 星地量子糾纏分發(fā)原理圖

（2）在 A 點(diǎn)，另一個(gè)粒子 3 攜帶一個(gè)想要傳輸?shù)牧孔颖忍?Q。于是 A 點(diǎn)的粒子 1 和 B 點(diǎn)的粒子 2 與粒子 3 一起形成一個(gè)總的態(tài)。在 A 點(diǎn)同時(shí)測(cè)量粒子 1 和粒子 3，得到一個(gè)測(cè)量結(jié)果。這個(gè)測(cè)量會(huì)使粒子 1 和粒子 2 的糾纏態(tài)坍縮掉，但同時(shí)粒子 1 和粒子 3 卻糾纏到了一起。

（3）A 點(diǎn)的一方利用經(jīng)典信道（就是經(jīng)典通信方式，如電話等）把自己的測(cè)量結(jié)果告訴 B 點(diǎn)一方。

（4）B 點(diǎn)的一方收到 A 點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果后，就知道了B 點(diǎn)的粒子 2 處于哪個(gè)態(tài)。只要對(duì)粒子 2 稍做一個(gè)簡(jiǎn)單的操作，它就會(huì)變成粒子 3 在測(cè)量前的狀態(tài)。也就是粒子 3攜帶的量子比特?zé)o損地從 A 點(diǎn)傳輸?shù)搅?B 點(diǎn)，而粒子 3 本身只留在 A 點(diǎn)，并沒(méi)有到 B 點(diǎn)（圖 5）。

圖5 量子隱形傳態(tài)過(guò)程示意圖

以上就是通過(guò)量子糾纏實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的方法，即通過(guò)量子糾纏把一個(gè)量子比特?zé)o損地從一個(gè)地點(diǎn)傳到另一個(gè)地點(diǎn)。需要注意的是，由于步驟（3）是經(jīng)典信息傳輸而且不可忽略，因此它限制了整個(gè)量子隱形傳態(tài)的速度，使得量子隱形傳態(tài)的信息傳輸速度無(wú)法超過(guò)光速。

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星將通過(guò)在地面建立高品質(zhì)量子糾纏光源，將其中一個(gè)光子通過(guò)地面發(fā)射望遠(yuǎn)鏡發(fā)送到衛(wèi)星平臺(tái)，在地面將剩余糾纏態(tài)與待傳送態(tài)進(jìn)行聯(lián)合糾纏測(cè)量，衛(wèi)星載荷對(duì)糾纏光子進(jìn)行量子測(cè)量，從而將地面的某個(gè)量子態(tài)通過(guò)隱形傳態(tài)的過(guò)程傳遞到衛(wèi)星平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)基于光子糾纏的地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)（圖 6）。

圖6 地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)示意圖

4 結(jié)論

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的成功研制和發(fā)射使得中國(guó)進(jìn)一步擴(kuò)大了在量子通信領(lǐng)域國(guó)際領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)現(xiàn)一系列空間尺度量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的同時(shí)，在量子通信技術(shù)實(shí)用化上致力于實(shí)現(xiàn)國(guó)家信息安全和信息技術(shù)水平跨越式提升。另一方面，2016年底，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)牽頭承擔(dān)的國(guó)家發(fā)改委“京滬干線”廣域量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)工程也將建成并全線開(kāi)通。京滬干線將建成連接北京、上海，貫穿濟(jì)南、合肥等地，全長(zhǎng)約 2 000公里的大尺度量子通信技術(shù)驗(yàn)證、應(yīng)用研究和應(yīng)用示范平臺(tái)。結(jié)合量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和京滬干線，將初步構(gòu)建我國(guó)天地一體化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，推動(dòng)量子通信技術(shù)的深入應(yīng)用、形成戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

“墨子號(hào)”還將首次在空間尺度上實(shí)現(xiàn)對(duì)量子力學(xué)非定域性的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，加深人類(lèi)對(duì)量子力學(xué)基本原理的理解，并為量子力學(xué)非定域性的終極檢驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，還將為探索和檢驗(yàn)廣義相對(duì)論、量子引力等物理學(xué)基本原理提供全新的手段。

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31 Zhang Q, Goebel A, Wagenknecht C, et al. Experimental quantum teleportation of a two-qubit composite system. Nature Physics,2006, 2(10)： 678-682.

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33 Wang X L, Cai X D, Su Z E, et al. Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon. Nature, 2015, 518(7540)： 516-519.

彭承志中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員，中科院量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總師。1976年 10 月生，2005年獲中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位。主要研究方向?yàn)榱孔恿W(xué)基本原理檢驗(yàn)、實(shí)用化光纖量子通信以及遠(yuǎn)距離自由空間量子通信。在包括Nature（1篇）、Nature Physics（1篇）、Nature Photonics（3篇）、PNAS（1篇）、Physical Review Letters（9篇）等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文 47 篇，被SCI引用 1 200 余次。主要研究成果包括在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)，把量子保密通信的安全距離拓展到百公里級(jí)，證實(shí)了量子通信的實(shí)用化前景，并開(kāi)展了量子通信城域組網(wǎng)系列工作。先后在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)可穿透大氣層的糾纏分發(fā)和隱形傳態(tài)，百公里級(jí)自由空間誘騙態(tài) QKD、隱形傳態(tài)及雙向糾纏分發(fā)，驗(yàn)證了基于衛(wèi)星平臺(tái)的全球量子通信可行性。其研究成果 1 次入選英國(guó)《自然》雜志評(píng)選的年度十大科技亮點(diǎn)（features of the year）、1次入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的年度物理學(xué)重大事件、2次入選兩院院士評(píng)選的年度中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞。E-mail： pcz@ustc.edu.cn

Peng ChengzhiBorn in October 1976, a full professor for experimental physics at University of Science and Technology of China (USTC). He obtained his Ph.D. degree in 2005 from USTC. He was appointed as the vice-chief engineer of the system for scientific application of the quantum science experiments satellite. His research focuses on fundamental tests of quantum mechanics, long-distance and practical quantum key distribution. He has published more than 40 papers in international journals, including 1 paper in Nature, 1 in Nature Physics, 3 in Nature Photonics, 1 in PNAS, and 9 in Physical Review Letters. His publications have been cited more than 1 200 times (ISI Web of Science) till now. His works in the field of quantum communication and quantum information have been recognized by the American Physics Society as “Highlights of the Year for 2013” in Physics, by Nature as “Features of the Year 2012”, and for twice as “The Top Ten Annual Scientific and Technological Progresses in China”. E-mail： pcz@ustc.edu.cn

潘建偉男，物理學(xué)家。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，中科院院士，發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士，中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心主任，中科院量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)首席科學(xué)家。1970年 3月生，1999年獲奧地利維也納大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理博士學(xué)位。主要從事量子信息和量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題檢驗(yàn)等方面的研究。作為國(guó)際上量子信息實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域的先驅(qū)和開(kāi)拓者之一，他是該領(lǐng)域有重要國(guó)際影響力的科學(xué)家。利用量子光學(xué)手段，在量子調(diào)控領(lǐng)域取得了一系列有重要意義的研究成果，尤其是關(guān)于量子通信和多光子糾纏操縱的系統(tǒng)性創(chuàng)新工作使得量子信息實(shí)驗(yàn)研究成為近年來(lái)物理學(xué)發(fā)展最迅速的方向之一。在包括Nature（11 篇）、Nature Physics（8篇）、Nature Photonics（9篇）、Nature Nanotechnology（2篇）、 PNAS（3篇）、Physical Review Letters（66篇）在內(nèi)的國(guó)際重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文 160余篇，共被引用 13 000 余次。研究成果曾 1 次入選英國(guó)《自然》雜志評(píng)選的“年度十大科技亮點(diǎn)”、1次入選美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)選的“年度十大科技進(jìn)展”、6次入選英國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的 “年度物理學(xué)重大進(jìn)展”、5次入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的“年度物理學(xué)重大事件”、9次入選兩院院士評(píng)選的“中國(guó)年度十大科技進(jìn)展新聞”。E-mail： pan@ustc.edu.cn

Pan JianweiMale, Born in March 1970, a full professor of physics at the University of Science and Technology of China (USTC). He obtained his Ph.D. degree in 1999 from the University of Vienna. In 2011, he was elected as the academician of Chinese Academy of Sciences (CAS). In 2011, he was appointed as the chief scientist of the quantum science experiments satellite. In 2012, he was elected as Fellow of the Third World Academy of Sciences (TWAS). In 2014, he was appointed as the director of the CAS Center for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics. The research of Prof. Pan focuses on quantum information and quantum foundations. As one of pioneers in experimental quantum information science, he has accomplished a series of profound achievements, which has brought him worldwide fame. Due to his numerous progresses on quantum communication and multi-photon entanglement manipulation, quantum information science has become one of the most rapidly developing fields of physical science in China in recent years. He has published more than 160 papers in international journals, including 11 papers in Nature, 8 in Nature Physics, 9 in Nature Photonics, 2 in Nature Nanotechnology, 3 in PNAS, and 66 in Physical Review Letters. His publications have been cited more than 13 000 times (ISI Web of Science) till now. His work in the field of quantum information and quantum communication has been recognized by Nature as “Features of the Year 2012”, by Science as “Breakthrough of the Year 1998”, by the American Physical Society websites as “The Top Physics Stories of the Year” (five times), and by the Physics World, Institute of Physics as “Highlights of the Year” (six times). Within China, his work has been selected for nine times as “The Top Ten Annual Scientific and Technological Progresses in China”. E-mail： pan@ustc.edu.cn

Quantum Science Experimental Satellite “Micius”

Peng Chengzhi1,2Pan Jianwei1,2
（1 CAS Centre for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics, Hefei 230026, China; 2 University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China）

At 1：40 a.m. of August 16, 2016, quantum science experiments satellite “Micius” was launched from the Jiuquan Satellite Launch Center. This is the world’s first satellite for quantum science experiments at space scale. After its launch, cooperated with five ground stations, the satellite would be used for scientific missions, including high-speed quantum key distribution between satellite and ground, quantum entanglement distribution and test of nonlocality at space scale, quantum teleportation between ground and satellite, and global scale quantum networks. “Micius” will further strengthen China’s leading position in the field of quantum communication, establish the foundation for future global coverage quantum wide area communications network, and deepen people’s understanding of the basic principles of quantum mechanics.

quantum communication, quantum key distribution, large scale quantum communication network, quantum entanglement distribution, quantum teleportation, quantum non-locality

*資助項(xiàng)目：中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”（XDA04030000）**通訊作者

修改稿收到日期：2016年9月8日