爬坡过坎

一个个技术难关被攻破

△量子通信卫星与地面站实验示意图（图源：中国科学技术大学）

中国量子通信团队取得的成果举世瞩目，在这当中他们遭遇了怎样的技术难关？

难关一：单个光子制备

在量子通信技术的研发过程中，首先要面对的是制备单个光量子的技术难题。中科院院士、中国科技大学常务副校长潘建伟举了一个非常形象的例子，来解释这一关键技术的难度：一个普通的15瓦左右的灯泡每秒钟辐射出的光量子个数可达十万亿亿个，想要实现单个光量子的制备就如同在这十万亿亿个光量子发射出来的瞬间捕捉到其中的某一个。

难关二：单光子的探测

单个光子已经是光能量的最小单元，能量是非常微弱的，需要发展出非常精密和高效的单光子探测技术。具备了单个光量子的制备和探测能力后，才能够实现安全的量子通信。

△2016年11月26日拍摄的“墨子号”量子科学实验卫星与兴隆量子通信地面站建立天地链路。

难关三：星地通信好比万米高空投硬币

“墨子号”卫星常务副总设计师王建宇举例说，“要从1000千米的高度把一个个光子发射到地面站，就好比在万米高空高速飞行的飞机上，同时向地面两个旋转的投币口细长的储蓄罐扔进一个个硬币。储蓄罐的投币口是细长的，相当于光的偏振，它是有方向的，硬币要把方向对好才能扔进去，而且不是扔一个，要两边同时都扔准才行。”

难关四：地面探测难度远超千里眼

根据计算，一根火柴划一下大概有1017个光子，而卫星地面站的探测能力，相当于在地球上的人要发现在月亮上有人划了一根火柴。此外，还要在每秒一亿个光子里面，搞明白地面探测到的是第几个光子，这些光子都是排好队的，探测一个就要知道它是第几个，这样才能用来做密钥。

目前，广域量子通信网络的雏形已基本形成。骨干网的扩展，将形成更复杂的拓扑结构，并在基础上构建国家地基授时网络，为定位、导航和授时服务提供保障。另一方面，地面网络与量子卫星结合，为超大尺度量子干涉的相关实验提供了有利基础，如探索量子力学与广义相对论融合等问题，为量子引力的基础检验和用于计量应用的大规模干涉测量提供了可能。

相关报道: