潘建伟：实现全球化的量子通信需要克服目前卫星量子中心所面临的难题｜BEYOND Expo 2023

第三届BEYOND国际科技创新博览会（以下简称“BEYOND Expo 2023”）以“重义科技Technology Redefined”强势回归线下，于5月10日-12日在威尼斯人金光会展中心盛大开幕。

BEYOND组委会邀请到中国科协副主席，中国科学技术大学常务副校长、教授，中科院量子信息与量子科技创新研究院院长，中国科学院院士，发展中国家科学院院士潘建伟（Pan Jianwei）先生出席开幕式。其长期从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等方面的研究工作，是该领域有国际影响的学者，特别是在量子通信、多光子纠缠操纵和冷原子量子存储等研究方向上做出了系统性创新贡献。

以下为潘建伟先生演讲内容精华：

2022年诺贝尔物理学奖被授予科学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect），约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser）和安东·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他们“用纠缠光子进行的实验，建立了贝尔不等式的违反，并开创了量子信息科学”。

2022年的诺贝尔物理学奖的新闻发布会和科学背景介绍中，都对中国科学家的相关的工作进行了重点介绍，包括墨子号量子卫星实现星际量子密钥分发、地心量子型常态，以及最近的量子密钥分发的工作等。

量子信息科学主要包括两方面的应用：利用量子通讯提供一种原理上无条件安全的通讯方式；利用量子计算大幅度提高运算能力。

在量子计算当中人们是利用量子比特来编码信息，那么利用量子叠加原理可以实现超快的并行计算，从而达到指数级的加速，因此量子计算机可以用来解决经典密码获取、天气预报、金融分析和药物设计等的多个领域问题。

在量子计算方面，最终实现通用的量子计算机还需要长时间的努力。为了确保该领域的健康发展，学术界为量子计算设定了三个发展阶段：第一个阶段是实现的量子计算的优越性，这是指量子计算系统对某些特定问题的求解速度已经远远超过了经典超级计算机，来展示其本身的优越性；第二阶段是构建专用的量子模拟机，用来求解一些经典计算机难胜任的特定复杂问题，比如高温超导机制等；第三阶段，目标是希望在量子纠缠的帮助下实现通用的可编程的量子计算。

在未来，为了实现全球化的量子通信，需要克服目前卫星量子中心所面临的难题。一是单颗低轨卫星没办法直接覆盖全球；二是目前的卫星还只能在低影区工作。相应的解决方案，是通过发射多颗低轨卫星来构成一个高效率的卫星网络，也就是所谓的亮点星座；在这个基础之上，还可以发射具有更长过境时间的中高轨的卫星来分发更多密钥。而这些方案实现的根本前提是卫星能够在太阳辐射背景下工作。

2017年，我们已经实现了在日光背景下远距离自由空间量子通信的地面实验，验证了全天质量的通信可行性。为了实现实用化的量子星座，我们已经成功研制了低成本和轻量化、微能量的卫星。

国际上首颗微纳量子卫星“济南1号”已经在2022年7月发射，它的载荷只有20公斤，与墨子号相比重量已经大幅度降低。当前我们正在研制第一颗中高轨量子卫星，计划在2026年前后发射，除了要实现量子密钥分发之外，也为量子精密测量提供了新的平台。通过这颗量子卫星，可以实现万公里量级量子纠缠分发，在未来借助全球化的纠缠分发，可以将多个原子之间的原子纠缠起来，从而大幅度提高原子中的稳定性。利用光中和超高精度的光屏标传输，我们可以在外太空构建一个长基线干涉仪，并开展一些物理学基本原理检验，这里面包括暗物质探测和引力波探测等。

在量子计算领域，我们希望未来可以达到对数百个量子比特的相关操纵，从而构建专用的量子模拟，帮助我们理解一些复杂物理系统规律，比如高温超导机理、量子波尔效应等。目前，通过10年至15年努力，我们希望能够操纵上百万个量子并实现量子纠错，初步构建可编程的通用量子计算机。

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