2017年大学生士兵提干考试基本常识：盘点“墨子号”量子科学实验卫星四大任务

2017年大学生士兵提干考试基本常识：盘点“墨子号”量子科学实

验卫星四大任务

2016年8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。这将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

为实现科学目标，需借助于量子科学实验卫星平台，在广域范围开展量子密钥分发、广域量子密钥网络、量子纠缠分发和量子隐形传态四项重要的科学实验。

1.星地高速量子密钥分发实验

星地高速量子密钥分发实验的目的是在高精度捕获、跟踪、瞄准系统的辅助下，在实现地面与卫星之间建立超远距离的量子信道的基础上，进行卫星与地面之间、基于诱骗态和基于纠缠的量子密钥生成和分发，实现卫星与地面之间以量子密钥为核心的绝对安全的保密通信试验，从而为建立全球范围的量子通信网络打下技术基础。具体实验方案为：发射端按照诱骗态方案，随机偏振编码单光子信号，接收端随机选择两组偏振基矢进行测量，并记下所测的结果和所选的基矢；当传送了足够数量的光子比特之后，接收端和发射端在经典通道上讨论测量时用的是哪组基，将基矢选择不同的结果全部扔掉；接收端将测量结果取一部分出来在经典信道公布出来供发射端校验。

如果这个校验序列的出错率在正常范围内，那就说明整个序列是安全的，并不存在窃听，这时双方即可将保留的与偏振态对应的随机比特序列作为初始码，初始码经过隐私放大等提纯过程得到绝对安全的最终码。此时接收端和发射端之间就共享了一串绝对安全的随机数序列（密钥）。

量子密钥产生后，通信双方即可进行保密通信。发送方采用生成的密钥Key，将要发送给接收方的明文通过某种加密规则变换成密文，然后经由公开的经典信息通道传送给接收方，接收方采用密钥Key' 通过适当的解密规则将密文变换成为明文。由于加密所用的量子密钥从原理上已经证明是绝对无法破译的，而密钥的生成过程也是绝对安全的，因此整个通信过程就是安全的不可被窃听的。

2.广域量子通信网络实验

近年来，随着光纤量子通信网络技术的发展，通过星地量子密钥分发过程组建真正的广域量子通信网络已经成为可能。这一实验将在实现高速星地量子密钥分发的基础上，与两个

光学地面站及其附属的两个局域光纤量子通信网络相结合，通过卫星中转的方式组建真正意义的广域量子通信网络。士兵提干，张为臻博客。

具体实验方案为：在地面建立两个光纤量子通信网络，并通过光纤与其相邻的固定光学地面站联通。当卫星飞过光学地面站1上空时，通过星地量子密钥分发过程，在地面站1

和卫星间建立密钥K1；同理，当卫星飞过光学地面站2上空时，通过星地量子密钥分发过程，在地面站2和卫星间建立量子密钥K2。

卫星通过经典信道将K1 和K2的异或结果公开发布，地面站1和2根据结果就能够在两者之间建立绝对安全的量子密钥。通过这样的方式就能够将两个分隔遥远的地面光纤网络相互联通，真正实现广域覆盖量子通信网络。

3.星地量子纠缠分发实验

卫星上的量子纠缠光源同时向两个地面站分发纠缠光子，在完成量子纠缠分发后，对纠缠光子同时进行独立的量子测量。通过对千公里量级量子纠缠态的观测，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

完成星地量子纠缠分发有两种主要的实验方案：第一种方案是量子信源产生一对偏振纠缠光子，一个光子在本地测量，另一个通过发射装置传送给接收端，分别用不同的角度的基矢对信号光进行相互独立的测量，并记录测量结果。将测量结果代入Bell不等式，检验在这种情况下Bell不等式是否破缺，从而给出量子力学完备性的证明。

第二种方案是将量子纠缠光源放置于空间平台上，同时向两个地面站进行分发，在完成量子纠缠分发后，对纠缠光子同时进行独立的Bell态测量，检验Bell不等式的破缺情况。对于两种方案，第二种方案能够实现在真正空间大尺度类空间隔的条件下进行Bell不等式破缺检验，具有重大的科学意义。

然而，由于需要从空间平台向地面发射纠缠光子对，纠缠光源需要放置在空间平台上，这就对纠缠光源的亮度和稳定性提出了严格的要求。同时，由于双向分发，对于降低信道衰减以及空间平台ATP 系统跟瞄精度也提出了更高的要求，这也将导致对空间平台提出了更多系统资源的要求。

4.地星量子隐形传态实验

量子隐性传态是一种全新的通信方式，是量子网络与量子计算的基本过程。地星量子隐形传态实验将在量子存储的帮助下，探索卫星与地面之间远距离的真正意义及量子隐形传态的可行性，研究争取在类空间条件下完成量子力学非定域性的实验检验。