“墨子号”——漫漫追星路（二）

在这三个主要任务完成之后，研究团队这三年又开展了一系列的拓展实验。

　　墨子号是一个太阳同步轨道卫星，所以它每天晚上在当地时的12点都会飞过当地上空。比如说你家在北京，今天晚上北京时间的12点，它会过一次境；如果你在乌鲁木齐，它会在北京时间晚上的2点多过乌鲁木齐，因为乌鲁木齐的当地时是12点；到北京时间第二天早上的7点，又到欧洲晚上的半夜的12点了，它又飞过维也纳。这样一个飞行之后，卫星可以跟地面上任意一个点做量子通信，通信完以后，卫星跟所有的人都有密钥，卫星的作用相当于一个中继点。

　　但是要用密钥的人都在地面，那么怎么办？假如维也纳想跟乌鲁木齐之间建立密钥，而天上的卫星知道这两个密钥，只需做一个与或的逻辑运算，并把结果发给乌鲁木齐，乌鲁木齐用它的密钥把密码翻译一下，就跟维也纳一一对应了。所以这个过程中，卫星作为一个可信的中继，为什么是可信？卫星知道所有的事情，如果你从卫星上拿到信息，卫星就能清楚地知道维也纳和乌鲁木齐之间拿走的是什么信息，而卫星可以把这个信息解码。

　　除了可信中继方案外，还有另外一种通信方案能够仅让通信的双方知晓互相的信息，而仅把卫星作为一个产生纠缠和分发纠缠的一方。由于处于纠缠态的两个光子，无论分到哪里，即使分到地面站，依旧会处于纠缠状态。那么这两个人只要检测到它的纠缠，就可以拿它来生成密钥，而且是一对一的密钥。采用这个方式以后，因为卫星它没有对纠缠进行任何的操作，没有获得任何的信息，所以密钥只在地上的两方来产生。即使卫星不是自己造的，而是其他国家造的，甚至是你自己造却被别人控制了，也没有关系，因为密钥只取决于你自己对纠缠的检测。

　　尽管第二个方案保密性更强，但现在它的码率非常低，量级在0.1bit/s。而第一个方案的码率在1kbit/s。因为卫星是我们自己造的，所以卫星是完全可以相信的，并用它来做一些商用的密码。而第二个方案的密钥量非常的少，如果要积累足够的密钥来用，需要非常多的资源，所以它可以用在一些高等级、对安全级别要求更高的，对密钥量需求不大的场合。从应用上来两种方案有各的优势。

检测引力致纠缠退相干现象的实验示意图

　　除了量子通信方向，墨子号还去做了一些尝试，例如引力导致纠缠退相干的模型。量子力学和广义相对论是现代物理理论框架的两个支柱，但是它们之间还没有完美的融合，但是如今出现了很多的理论。广义相对论指出，在地球引力场的情况下时空会弯曲，时空的弯曲会导致时间的平移。假设纠缠的一对光子中，有一个光子在地上放着，另外一个发到卫星上，在飞的过程当中，它前后光子，本来是排着队一起走，一对一的跟地上，但是在飞的过程中受到引力的影响，而跟地上的光子不同步。就会导致在数光子时，如果只数发到卫星的这一路时，它和未受到引力影响时相同，但当与地上的光子关联时，就会看到这个地方掉下去了，就不一样了。

　　如果看到往下掉的过程，就表示观察到了引力导致退相干的结果。实际上，实验结果是符合量子力学的，结果是符合量子力学的：无论光子飞多远，实验结果还是看到一对一对的，并没有发现引力影响了测试的结果。所以我们和理论的作者一起，把他原来的理论模型进行了升级。现在卫星500公里（轨道）太低了，所以需要更高的轨道，可能就会观察到引力带来的效应。随之而来的是更高的实验要求。除此之外，墨子号还可以进行高精度的安全视频的传递。这里就不再赘述了。

墨子号划过星空

　　卫星发射以后，它后续取得的一些成果都获得了很好的国际评价，这四年一直保持着它的热度。在去年年底，《自然》杂志在它评选的21世纪10年代的科学大事件，“墨子号”的成果也列入了其中。而“墨子号”的第一个发布的成果，就是Science上发表双向纠缠密钥分发结果，也获得了当年美国科学促进会的“克利夫兰奖”。这是在1923年设立，九十多年以来，我国本土的成果首次获得这一奖项。

　　“墨子号”的新一代会有哪一些事情要做？虽然“墨子号”很成功，但是它只是一颗低轨的卫星，它过一个站的时间只有六分钟左右，仅能覆盖范围1000公里直径的范围，而且只能在地影区工作，所以它离实际应用还有一定的距离，作为研究人员，我们还有很多事情要做。

　　我们未来的目标是要实现全球化的量子通信，这就要通过“量子星座”来完成。首先就要利用“墨子号”上已经成熟的技术，把它做到小型化，并使用多颗卫星组网。如果卫星的质量做到50公斤左右，其研制、发射成本会有很明显的降低。通过三到五颗的这样的卫星组网就可以覆盖整个地球。地上的某一个站可以持续一个星期刷新密钥，在初步的商业应用方面会起到很好的作用了。

　　除了一颗低轨的卫星，研究者们还需要把目光投到更高的中高轨卫星，甚至是同步轨道。但是到了同步轨道，卫星只有0.6%的机会是在地影区，其他都是被太阳照亮的。所以还要解决的一个问题就是地面站不能在白天开展实验这一限制。此外，除了天上的卫星组网，还需要将现有的地面站小型化。

　　总的来讲，我们的目标是要建立一个完整的天地一体化的广域量子保密通信网络体系，并且跟经典通信网络实现无缝的链接，共同结合，实现安全的保密通信。

　　注：本文内容根据印娟教授于墨子沙龙现场演讲编译整理而来