量子密钥是迄今人类所知最安全的密钥，可如何将密钥分发给地球上任意点上的用户，却是个大难题。最近，中国科学家又将解决这一难题的方法向实用化方向推进了一步：他们验证了用低轨卫星向世界各地分发量子密钥的技术的可行性，为未来实现基于星地量子通信的全球化量子网络奠定了坚实的技术基础。5月1日出版的《自然·光子学》以长文形式发表了该研究成果。

量子密钥既无法被复制，又可及时发现窃听者，从而成为迄今世界上最安全的密钥。可如何将量子密钥分发给地球上的任意两个用户？全球量子科学家为此绞尽脑汁。一开始，科学家试图利用光纤来做信道，却发现很难突破距离限制。2004年，中国科技大学潘建伟、彭承志等研究员开始探索一条新路——抛弃光纤，“空对空”地传输量子信息，即自由空间量子通信。

“在自由空间，环境对光量子态的干扰效应很小，而光子一旦穿透大气层进入外层空间，其损耗更小，这使得自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更具优势。”彭承志告诉记者，此后研究团队取得了一系列突破，地面自由空间量子通信的距离从16公里，一直增加到100多公里。

若可穿越地面百公里大气，就相当于满足了在太空中穿越上千公里对信号衰减的苛刻条件。这一技术的获得与成熟，就使利用低轨道卫星平台实现量子密钥分发有了可能。数年前，潘建伟团队与中科院上海技术物理研究所王建宇、光电技术研究所黄永梅等合作，开始研发量子科学卫星上的相关载荷。

要实现星地量子通信，必须克服大气层的传输损耗、量子信道效率、背景噪音等诸多问题，尤其低轨卫星和地面站始终处于高速相对运动之中，而且卫星在运行中也会不停摇摆——这不同于信号发射与接收都可定点的地面实验。如何在这些情况下建立起高效稳定的量子信道，保持信道效率以及降低量子密钥误码率，成为关键性问题。

为了克服上述困难，这个多方协同的创新团队自主研制了高速诱骗态量子密钥分发光源和轻便的收发整机，自主发展了高精度的跟瞄、高精度同步和高衰减链路下的高信噪比及低误码率单光子探测等关键技术。王建宇告诉记者，星地量子通信的本质是极弱的激光通信，是从在太空中不断移动的卫星上，发出极其微弱的激光，再在地面上一个个光子地接收下来，几乎所有的参数都扣着理论极限。

这些卫星载荷研制出来后，科学家还让它坐上旋转平台，来模拟低轨道卫星的角速度和角加速度；让它搭乘热气球，来模拟随机振动和卫星姿态；让它发射的激光穿越百公里地面自由空间信道，来模拟星地之间高衰减链路信道——从多个角度验证星地之间安全量子信道的可行性。经过在上海研发基地和青海湖基地的多年奋战，他们终于取得了成功。

上述研究为我国通过发射量子科学实验卫星，实现基于星地量子通信的全球化量子网络和在大尺度量子理论基础检验，以及探索如何融合量子理论与爱因斯坦广义相对论，奠定了必要的技术基础。这是中科院量子科技先导专项继去年实验实现拓扑量子纠错和百公里自由空间量子态隐形传输与纠缠分发后取得的重要突破，同时也是量子信息与量子科技前沿协同创新中心的最新重要成果。

（原载于《文汇报》 2013-05-03 07版）