• 工程简介

    Project Introduction

    墨子号量子科学实验卫星于2016年8月16日1时40分,在酒泉用长征二号丁运载火箭成功发射升空。此次发射任务的圆满成功,标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。

    工程大事记

    Engineering Events

    技术突破

    Technical breakthrough

    技术突破

    量子保密通信技术已经从实验室演示走向产业化。在城市里,通过光纤建构的城域量子网络通信已经开始尝试实际应用,我国在城域光纤量子通信方面已取得了国际领先的地位。在量子通信的国际赛跑中,中国属于后来者。经过多年的努力,中国已经跻身于国际一流的量子信息研究行列,在城域量子通信技术方面也走在了世界前列,建设完成合肥、济南等规模化量子通信城域网,“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网也即将竣工。

    社会效益

    Social benefits

    一、有利于推动我国空间科学卫星系列可持续发展

    “墨子号”的成功发射,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。量子卫星的成功发射和在轨运行,将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位,实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升,有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破,对于推动我国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。

    二、量子保密通信有助于保障信息安全

    量子保密通信,能够从三个方面保障信息安全。第一,发送者和接收者之间的信息交互是安全的,不会被窃听或盗取。第二,“主仆”身份能够自动确认,只有主人才能够使唤“仆人”,而其他人无法指挥“仆人”。第三,一旦发送者和接收者之间的传递口令被恶意篡改,使用者会立刻知晓,从而重新发送和接收指令。

    三、构建全球性安全通信网络

    美国波士顿大学的量子物理学家亚历山大·谢尔吉延科说:“这个事确实很让人激动,因为它是首次开展此类试验,因此对全球都有重要意义。”英国剑桥大学量子物理学教授阿德里安·肯特说:“我对中国发射量子卫星这事感到很兴奋。”他认为,这是为使用量子技术构建全球性安全通信网络迈出的“第一步”

    工程故事

    Engineering story

    “墨子号”升空背后的人才制度思考

    浩瀚太空中,有一颗人造卫星取名自中国先贤,名为“墨子号”。这是全球首颗量子科学实验卫星,由中国科学院院士、国家“千人计划”特聘专家潘建伟领衔研制,今年8月16日发射升空,标志着我国在量子通信领域处于世界领先地位。发射成功消息一出,海内外人才反响强烈。 许多人在为“墨子号”领跑地位感到骄傲的同时,也进行着深入思考。“从‘三跑论’来说,我们领跑的是少数,在不少核心技术和关键领域依然处于并跑、跟跑的局面。”中国人事科学院党委书记兼副院长、研究员唐志敏认为,潘建伟团队成功的背后经验具有典型意义,值得总结借鉴,以推动我国科技创新和人才发展。 高效体制实现中国效率 20年前,当潘建伟在奥地利第一次见到他的导师、国际著名量子物理实验学家塞林格教授时候,塞林格教授问道:“你的梦想是什么?”他的答案脱口而出:“在中国建一个世界一流的量子物理实验室。” 这个在当年看来带着“初生牛犊不怕虎”味道的梦想,随着潘建伟的回国逐步成为现实。2001年,在中科院和有关部门支持下,潘建伟在中国科学技术大学组建量子物理和量子信息实验室,十来年时间,实现了从追赶到领跑。 “‘墨子号’的成功升空,除了潘院士团队的刻苦攻关,更是我们制度优势的有力证明。”唐志敏指出,近年来,中央明确提出创新驱动发展战略、人才优先发展战略,并不断加大投入。以国家重大科学任务为平台,能更多地由国家调动人才资源、科技资源、物力资源来支持项目研究,效果显著。 量子卫星发射就是一项复杂的系统工程,例如,它需要能够看清楚木星上汽车牌照这样高分辨率的望远镜,很弱的光从卫星上传下来要能接收得到……这需要一个非常庞大的团队,离不开产学研高效协同和部门间的密切合作。 据介绍,在“墨子号”研制过程中,中科大牵头确立总体实验基本方案,负责科学应用系统的研制,中科院上海技术物理研究所、中科院光电技术研究所、中科院上海微小卫星工程中心、中科院紫金山天文台、中科院国家天文台等将近十几个研究所一起分工协作。“各个相关的研究所都属于中科院,协调起来方便得多。”潘建伟说。 差不多同一时期,潘建伟的导师塞林格团队联合欧洲多个量子物理优秀团队也向欧洲太空局提出基于国际空间站实施星地量子通信的计划。然而,由于欧洲太空局的决策机制,这一计划被一再拖延。塞林格教授因此主动提出,与潘建伟团队开展合作,开展空间量子实验。 “有中长期的战略规划,政策有连续性,决策效率高,这是我们的制度优势所在。”唐志敏指出。潘建伟体会深刻:“我们国家有着高效的体制。一旦我们的科学研究获得了国家的认可,国家会提供最好最有效的保障来推动科技成果的实现,这是西方国家难以比拟的。” 对中国效率,国家“千人计划”特聘专家、吉林大学教授黄大年也有同感。2009年底,在英国18年、从事航空地球物理探测技术研究工作的黄大年决定回国,在非常短的时间内被任命为国家深部探测重型装备项目首席科学家,迅速立项和实施具有“深地资源”战略意义的国家大型项目。他随后成为科技部863资源环境领域专家,从一名尖端科技研发科学家变身成一个大国的战略科学家。“在英国,启动这类大项目的效率肯定不会那么高,投入也不可能那么大。”这让他找到了回家的感觉——信任与温暖。 “跟跑”和“并跑”有目标牵引,可以跟着人家走。要做“领跑”者,创新发展的目标方向依据是什么?唐志敏认为,应以新一轮科技革命和产业革命发展方向为指引,研究“领跑”机制,做好中长期战略规划,组织实施好国家科研项目,加大科研投入,改进科研项目评估方式,更好地为科学家、科技人员提供科研平台和工作条件。说到底,就是及时发现、充分信任和大力支持能够完成“领跑”艰巨任务的高端人才。 制度优势让中国人在国内也可以做很好的“科学” “‘墨子号’科学实验卫星项目的成功还体现了我们人才制度的优势,比较突出的就是引才计划。”唐志敏表示,以“千人计划”为示范带动的一系列引才计划,为一流人才到中国发展搭建了直通车。 “对年轻科学家来讲,‘千人计划’把潮头改了。在国外留学的顶尖人才,现在都会把回国作为第一选项。”潘建伟感到,“千人计划”的实施,为一大批高层次人才提供了充足的支持。 在“国字号”工程引领下,借助中科院“百人计划”等引才举措,多位年轻科学家得以回国加盟,形成了与领军人才在研究能力、协作配合方面相匹配的团队。 通过研究该团队的科研历程,唐志敏发现,在研究立项、技术路线、科研合作等方面,高校和科研团队都有较高的自主性。 潘建伟说,2001年组建实验室的时候,当时科研经费普遍紧张,申请的200万元科研经费已不是小数,而中科院基础科学局拨了400万元,为实验室启动打下了基础。此后,中科院前瞻性地启动了两个知识创新工程重大项目,支持团队开展关键技术突破。在量子科学实验卫星研制过程中,中科院实行科学家贯穿始终、工程队伍密切配合的“两总”组织模式,充分尊重科研规律,发挥了科学家的指导作用。 “尊重高校、科研单位和人才的自主性,尊重科研规律,给予更大的空间,有利于他们全身心投入科研,取得更大成就。”唐志敏说,应在科研体制、人才发展体制机制等方面,继续深化改革,破除制度藩篱,以形成更利于潜心科研的环境土壤。 今年以来,以《关于深化人才发展体制机制改革的意见》这份首次以中共中央名义印发的人才体制机制改革纲领性文件为牵引,一系列政策法规密集出台,比如《关于实行以增加知识价值为导向分配政策的若干意见》《关于进一步完善中央财政科研项目资金管理等政策的若干意见》等,为用人单位放权,给人才松绑。 “现在国内科研环境极大改善,各项人才政策和科研项目更加系统化和规范化。过去,我们往往根据急需紧缺推动立项和投入程度,容易出现行业间发展失衡。现在统筹规划性更强,考虑问题更加有序和系统全面,从急需紧缺到涉及国计民生各个方面的科研项目,投入和支持都在不断加大,影响面和受益面也在不断加大。”黄大年感到,现在不像钱学森等老前辈选择回国时那样,那时国内条件很差,如今科研和经济条件显著改善,在国内有些成果甚至比在海外实现得更快更大更好。 对于科研资金投入的变化,北京航空航天大学副校长黄海军有切身体会。1998年,黄海军获得国家杰出青年科学基金的资助,资助额度是30万元,当时他感觉是很大一笔钱。如今他的团队有一个项目马上要结项,科研经费是3200万元。“这在年轻时是不敢想的。”黄海军说。据2015年底联合国教科文组织一项报告显示,中国用于研发的投资仅次于美国,居世界第二。 “如果说当年杨振宁先生和李政道先生证明,中国人在国外可以做很好的‘科学’,那么我们现在证明了,中国人在国内也可以做很好的‘科学’。”潘建伟说。 人才引领科技大国向科技强国迈进 在欧洲的两个见闻一直让潘建伟印象深刻。一次他到阿尔卑斯山大峡谷游历,一个大概80多岁、满头白发的老太太坐在轮椅上,问他是干什么的。介绍过后,万万没想到,老太太说:我读过你在《自然》杂志发表的那篇文章。还有一次,潘建伟在德国时做了一个手术,护士对他的研究很感兴趣,请他给讲讲。“这就是普普通通的欧洲人对物理学的好奇。”良好的科普环境,让潘建伟很感慨。 “科学兴趣和梦想对于探索自然科学奥秘来说,往往来自于成年之前的青少年时期。”唐志敏指出,培养一流科学家要从青少年时期开始,积极营造热爱科学、鼓励创新的社会环境,注重教育资源分配,重视培养的各个环节,将我们在人口资源、人力资源上的优势,转化为人才资源优势。 即使在国内建立了实验室,潘建伟也没有停止深造的脚步,而是做了“候鸟”,往返于中欧之间,及时了解先进技术,并组建了项目小组,科研水平跟随前沿不断提升。他的团队在海德堡大学期间实现突破领先后,整个团队回到中科大,搬回来4个实验室。 “人才培养链是一个很长的过程,从幼儿到终身,不简单是大学教育。”结合潘建伟及其团队成员的成长经历,唐志敏指出,对于引进的人才,不要限制他参与国外前沿的研究,给予他们持续提升的空间,研究才可能跟上国际最先进的潮流。 除了科学精神、科学兴趣,甘于寂寞、踏实肯干的科研作风往往与科学家如影随形。许多人并不知道,每当繁华城市陷入沉睡的时候,这群科学家们常常还在伏案工作,大脑仍在高速运转。“我们没有工作日和周末之分。”中科大教授、潘建伟教授团队成员陈宇翱笑言。 国家“千人计划”青年项目入选者刘云浩感到,潘建伟教授二十多年如一日坚守在量子通信领域,他的成功给自己上了生动一课:做科研没有捷径可走,要想在科学事业上有大的突破,就必须沉下心来,踏踏实实埋头苦干。 据了解,目前承载着冲击科技前沿制高点使命的“墨子号”卫星正如期开展在轨测试。测试完成后,卫星将交付使用,正式展开全球首次天地间量子加密通信实验,将会成功展示大国实力。由此联想到,我国正在实施“深海”“深地”“深空”和“深蓝”国家科技发展战略计划,这意味着我国分布在各个领域的人才资源结构和技术体系日趋完善,具备由科技大国向科技强国全方位迈进的整体实力和难得机遇。

    中国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号” 首席科学家畅谈背后的故事

    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。 量子卫星2011年12月立项,是中科院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。其主要科学目标一是进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破;二是在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,在空间尺度验证量子力学理论。 工程还建设了包括南山、德令哈、兴隆、丽江4个量子通信地面站和阿里量子隐形传态实验站在内的地面科学应用系统,与量子卫星共同构成天地一体化量子科学实验系统。 据悉,本次任务还搭载发射了中科院研制的稀薄大气科学实验卫星和西班牙科学实验小卫星。量子卫星发射入轨后将进行3个月左右的在轨测试,然后转入在轨运行阶段。 量子卫星工程由中科院国家空间科学中心抓总负责;中国科学技术大学负责科学目标的提出和科学应用系统的研制;中科院上海微小卫星创新研究院抓总研制卫星系统,中科院上海技术物理研究所联合中科大研制有效载荷分系统;中科院国家空间科学中心牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行;对地观测与数字地球科学中心等单位参加。 据介绍,长征二号丁运载火箭由中国航天科技集团公司所属上海航天技术研究院研制。此次发射是长征系列运载火箭的第234次飞行。 在“墨子号”发射升空后,科普中国、中国科普博览、中国科学院计算机网络信息中心联合(出品:科普中国 制作:中国科普博览 监制:中国科学院计算机网络信息中心)发出了中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长、量子卫星首席科学家潘建伟的专题访问,讲述了量子通信及“墨子号”背后的故事,以下是文章全文: “墨子”升空 首席科学家谈中国量子通信技术 千百年来,人类一直渴望实现绝对安全的通信,而量子通信技术就能够非常完美的实现这一梦想。过去的十年里,“互联网+”改变了我们的生活,而现在“量子+”正在改变互联网。 作为世界顶尖的前沿科学技术,潘建伟院士和他的团队在量子通信的研究道路上遭遇过怎样不为人知的挫折?在欧美众多实力强劲的国家中,潘建伟团队为何选择奥地利作为量子通信项目的合作伙伴?作为量子通信领域的技术强国,中国正从经典信息技术的跟随者,转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者,而在此过程中我国量子通信技术的发展过程中又有着怎样里程碑式的事件? 尖端科技背后的故事 量子通信是基于量子力学基本原理的前沿技术。近年来,以潘建伟团队为代表的中国科学家在量子通信领域取得了举世瞩目的重要科研成果,在尖端科技发展的过程中,我国科学家都经历了哪些不为人知的挫折和磨难?尖端科技的背后又隐藏着怎样的技术难题? 潘建伟介绍说,在量子通信技术的研发过程中,单个光量子的制备和探测是主要的两个技术难题。首先,制备单个光量子的技术难题。潘建伟举了一个非常形象化的例子来解释这一关键技术的难度:一个普通的十五瓦左右的灯泡每秒钟辐射出的光量子个数可以达到百亿亿个,想要实现单个光量子的制备就如同在这百亿亿个光量子发射出来的瞬间捕捉到其中的某一个,技术难度可想而知。另一个难题是单光子的探测。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的能力后,我们就可以用来实现安全的量子通信了。 量子信息的应用除了实现无条件安全的通信外,还可以带来计算能力的飞跃,这就需要第二种能力,把一个个的单量子纠缠起来。量子计算机的能力是随着纠缠粒子数目呈指数增长的,比如有100个粒子的纠缠,每个粒子可以处于“0”和“1”的相干叠加,100个纠缠的粒子就可以同时处于2100个状态的叠加,这就相当于同时对2100个数进行操纵,计算能力就大大提升了。把一个个粒子纠缠起来需要对它们之间的相互作用进行精确的控制,同时还要保证克服环境的干扰。潘建伟团队通过一种名为“光晶格”的实验装置来成功攻克了这一技术难题,而“光晶格”捕捉单个原子的技术原理就如同把鸡蛋逐个放入蛋槽的过程,每个光晶格中只能容纳一个原子,再人为控制这些原子的相互作用,使得它们纠缠起来。虽然现在的技术水平已经发展到可以操纵数百个原子,但是想要实现数百个原子之间的量子纠缠态还有很长的路要走。潘建伟解释说,如果能够将几百个原子纠缠在一起,就可以演示量子计算机的基本功能了。 奥地利——梦开始的地方 据了解,此次“墨子号”量子通信卫星包含了国际合作任务,并且选择了奥地利作为首个国际合作伙伴。为何偏偏选择奥地利?这还要从潘建伟的求学经历说起。 在中国科学技术大学学习期间,潘建伟第一次领略到量子世界的奇妙。但随着研究的深入,他越发意识到量子理论中的各种奇特现象需要更加尖端的实验技术和条件才能够得到验证,而当时国内在这方面还相对落后。于是1996年潘建伟来到奥地利因斯布鲁克大学,师从奥地利物理学家Anton Zeilinger攻读博士学位。那时Anton Zeilinger教授已经建立了量子实验室,并且是量子物理学领域的国际权威。在这里,潘建伟和同事们完成了国际上首次实现光子的量子隐形传态的实验,这被认为是量子信息实验领域的开端。此后几年内,潘建伟和同事们又先后实现了一系列量子信息领域的先驱性实验,这些宝贵的经历为以后潘建伟在量子通信领域的突破性贡献奠定了坚实的基础。潘建伟对奥地利的特殊感情还不止于此。潘建伟在奥地利求学期间,一直得到了奥地利外交部和学术交流机构的资助。博士毕业后,潘建伟又继续在维也纳大学实验物理所从事博士后研究,而维也纳大学正是薛定谔等量子力学的奠基人工作过的地方,无疑是量子力学的“圣地”之一。 所以,当昔日的老师主动提出加入到我国的量子卫星计划中来的请求后,顺理成章地,奥地利就成了量子科学实验卫星项目的第一个国际合作伙伴。潘建伟提到,量子科学实验卫星会向全世界开放,在奥地利之后,德国、意大利、加拿大等国的团队也主动请求加入。 追寻量子通信发展的轨迹 潘建伟曾经在接受采访时谈到,作为量子通信领域的技术强国,中国正从经典信息技术的跟随者,转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者。回顾中国量子通信领域的发展历程,成绩的取得当然离不开先辈科学家们孜孜不倦的奋斗与拼搏。 潘建伟表示,我国在量子通信领域的研究起步较早,在上世纪90年代初就有如郭光灿院士、张永德教授等老一辈科学家对该领域发展的密切关注,并且中国科学技术大学已经发表了一些该领域的文章。潘建伟强调说,中国量子通信领域之所以能够发展到今天这一步,与当时中科院与时俱进的敏锐眼光密切相关。比如,在他2001年回国组建实验室时,一切都是从零开始。当时向中科院申请了200万经费,而当时的中科院基础局却拨了400万。在中科院的重视和支持下,实验室的发展速度非常快,很快就有了一批由中国人完成的量子信息领域的重要成果。在那之后,从2004年起,中科院的支持力度又进一步加大。同时,国内其他团队也发展起来了。从2005年的时候,国家的重大研究计划也开始注意到了量子调控,当时在中科院物理所的于渌院士、南京大学的闵乃本院士等建议下,量子调控成为国家重大研究计划的内容,到目前这一计划已经执行了十余年。正是由于国家的重点扶持,我国的量子通信技术才得以快速发展。近年来,中科院启动量子卫星项目,国家发改委启动“京沪干线”项目,为量子通信技术实现跨越式的发展注入了长足的动力。但同时潘建伟也表示,欧美等国家也相继启动了包括量子通信在内的量子专项计划,政府也给予了大力支持,所以我国在未来能否持续抢占量子通信领域的领跑地位,还需要不断创新不断前进。 量子通信是目前为止唯一被严格证明可提供无条件安全的保密通信手段。随着我国发射全球第一颗量子实验卫星以及 “京沪干线”的建成,都将奠定中国在量子通信领域的领跑地位。目前,在量子通信领域,无论是科学研究还是实际应用,我国都已处于世界领先水平,我们也期待着,量子通信从理论到实验再到实践的完美蜕变。

    向“墨子号”背后的科学家们致敬

    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。“墨子号”的成功发射,将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建起天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。 在现代词汇中,量子通讯技术总给人以“高冷”的感觉,总觉得和芸芸众生可能没有多大关联。但仔细看完新闻后,才发现以往对量子通信技术的认知,错得有多么的离谱。简单来说,中国成功发射首颗量子卫星,将会开启人类保密通信的新纪元,它“一次一密”的工作机制,可实现抵御任何窃听的密钥分发,进而保证用其加密的内容不可破译,可从根本上、永久性解决信息安全问题。 量子卫星的成功发射和在轨运行,将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位,实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升,有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破,对于推动我国空间科学卫星系列可持续发展具有划时代的意义。 “墨子号”的成功发射,也释放出我国量子通信产业前景可期的重要信号。在市场人士眼中,量子通信代表了数据传输速度与安全的未来方向,是一座万亿级别的产业富矿。有关专家估算,短期内量子通信产业规模即可达数十亿元;而随着网络区域扩大及卫星量子通信网络建设,未来市场空间将更为广阔。 “墨子号”量子卫星的成功发射令人振奋,其背后那些夜以继日、不辞辛劳的科学家们更值得我们的尊重与敬佩。

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