兩項(xiàng)成果于8月10日同時(shí)在線發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。這是繼先前在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)的研究成果以封面文章形式發(fā)表在《科學(xué)》雜志后，我國(guó)科學(xué)家利用“墨子號(hào)”實(shí)現(xiàn)的空間量子物理研究另外兩項(xiàng)重大突破。至此，“墨子號(hào)”提前圓滿實(shí)現(xiàn)全部三大既定科學(xué)目標(biāo)，為我國(guó)在未來(lái)繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問(wèn)題檢驗(yàn)前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

        量子通信的研究?jī)?nèi)容之一是量子密鑰分發(fā)。通信安全是國(guó)家信息安全和人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活的基本需求。千百年來(lái)，人們對(duì)于通信安全的追求從未停止。然而，基于計(jì)算復(fù)雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù)，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數(shù)學(xué)和計(jì)算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。與經(jīng)典通信不同，量子密鑰分發(fā)通過(guò)量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享無(wú)條件安全的密鑰，利用該密鑰對(duì)信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽(tīng)、不可破譯的無(wú)條件安全的通信方式。量子通信的另一重要內(nèi)容是量子隱形傳態(tài)，它利用量子糾纏可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身。遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)是實(shí)現(xiàn)分布式量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元。

       量子通信通常采用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過(guò)光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離的增加而指數(shù)增加。由于量子不可克隆原理，量子通信的信號(hào)不能像經(jīng)典通信那樣被放大，這使得之前量子通信的世界紀(jì)錄僅為百公里量級(jí)。因此，如何實(shí)現(xiàn)安全、長(zhǎng)距離、可實(shí)用化的量子通信是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國(guó)際學(xué)術(shù)界幾十年來(lái)奮斗的共同目標(biāo)

星地高速量子密鑰分發(fā)是“墨子號(hào)”的科學(xué)目標(biāo)之一。量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號(hào)，地面接收的方式，“墨子號(hào)”過(guò)境時(shí)，與河北興隆地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個(gè)數(shù)量級(jí)（萬(wàn)億億倍）。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬(wàn)個(gè)信號(hào)光子，一次過(guò)軌對(duì)接實(shí)驗(yàn)可生成300 kbit的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)1.1 kbps。這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)展到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與合肥量子通信網(wǎng)、濟(jì)南量子通信網(wǎng)、京滬干線等城際光纖量子保密通信網(wǎng)互聯(lián)，可以構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò)。

《自然》雜志的審稿人稱贊星地量子密鑰分發(fā)成果是“令人欽佩的成就”和“本領(lǐng)域的一個(gè)里程碑”，并斷言“毫無(wú)疑問(wèn)將引起量子信息、空間科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家和普通大眾的高度興趣，以及公眾媒體極為廣泛的報(bào)道”。

地星量子隱形傳態(tài)也是“墨子號(hào)”的科學(xué)目標(biāo)之一。量子隱形傳態(tài)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式，“墨子號(hào)”過(guò)境時(shí)，與海拔5100m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產(chǎn)生8000個(gè)量子隱形傳態(tài)事例，地面向衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，實(shí)驗(yàn)通信距離從500公里到1400公里，所有6個(gè)待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。倘若在同樣長(zhǎng)度的光纖中重復(fù)這一工作，則需要3800億年（宇宙年齡的20倍）才能觀測(cè)到1個(gè)事例。這一重要成果為未來(lái)開(kāi)展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究，以及空間量子物理學(xué)和量子引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

《自然》雜志審稿人稱贊“這些結(jié)果代表了遠(yuǎn)距離量子通信持續(xù)探索中的重大突破”，“這個(gè)目標(biāo)非常新穎并極具挑戰(zhàn)性，它代表了量子通信方案現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)中的重大進(jìn)步”。