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墨子号太空量子实验
量子理论已在众多实验室实验中得到成功验证。但是，这种有效描述微观物理系统行为及其预测的量子纠缠等现象的理论是否仍适用于大尺度？从实际角度来看，如何使量子密钥分发（即通过量子力学定律确保远距离各方之间建立密钥的安全性）在全球范围内具有技术实用性？由于光子在光纤和地面自由空间中的损耗，单个光子的直接传输所能达到的距离仅限于几百公里。一种在长距离和相对论范围内测试量子物理并从而实现灵活的全球量子网络的有前途的途径是使用卫星和太空技术，其中的一个显著优势是光子损耗和湍流主要发生在大气层约 10 公里以下，而大多数光子在太空中的传输路径几乎处于真空中，几乎没有吸收和退相干。回顾了自由空间量子实验的进展，重点介绍了快速发展的墨子号卫星量子通信。讨论了天地一体化量子网络的前景以及利用卫星在太空进行的基础量子光学实验。
确保超过 7600 个量子通信的安全......
奥地利和中国的研究人员在轨道上找到了解决方案：2016 年发射升空的“墨子号”卫星，为他们提供了一个科学站，该站可在 94 分钟内绕地球运行，轨道高度约为 500 公里。该卫星配备了光子源和探测器，因此能够产生和传输光子。在实验中，“墨子号”向地面站发送了一些所谓的光子，这些光子以随机、不可预测的方向振荡。因此，轨道上的发射器和地球表面的接收器会收到一个随机生成的唯一数字序列，由零和一组成 - 量子密钥。如果在轨道和地球之间的交换过程中发生拦截尝试，接收方会注意到这一点。原因是：每次测量都会改变粒子的量子态。因此，任何“黑客”都会立即被抓获。
2021 年墨子量子奖的科学背景：超导量子电路简史，引领超导量子实用化
20 世纪 80 年代初，莱格特 [4] 提出实验来检验宏观集体变量是否具有量子力学行为。他对传统的哥本哈根诠释提出了质疑，根据哥本哈根诠释，世界分为遵循量子力学的微观系统和行为经典的宏观系统（包括测量仪器）。特别是，他认为，约瑟夫森隧道结两端的相位差（本质上是两端电压的积分）所表示的宏观集体变量可以足够无摩擦，从而可用于检验宏观层面量子力学的有效性。在确定两个相干宏观态存在的过程中，莱格特指出的一个重要中间步骤是宏观量子隧穿 (MQT) 的存在，其中集体宏观变量穿过势垒。
通过双通用哈希估计 QKD 参数
当纠缠量子态的分布特别困难时，有限尺寸效应会产生实际影响。例如，考虑在地球表面相距甚远的用户之间使用 QKD 的问题。墨子号卫星实验 [ 26 ] 试图通过使用卫星将纠缠光子对分发到相距 1120 公里的两个地面站来解决这一问题。然而，将纠缠光子对从太空发送到地球非常困难。在墨子号实验中，必须经过几个晚上的好天气，地面站才能积累出 3100 大小的筛选块。地面站需要容忍的错误率为 4.51%。参考文献 [ 12 ] 对此数据进行了最先进的安全性分析，并得出结论：安全级别优于 10 − 6 左右时根本不会生成密钥，而安全级别为 10 − 6 时仅可提取六位密钥。本例中实现的输出大小和安全级别不足以满足加密应用的要求。这为本文提供了动机。是否有 QKD 协议和安全证明能够实现小块大小与输出大小和安全级别相结合，从而满足加密应用的要求？
中国保密通信量子卫星。
中国“墨子号”卫星建立了首个洲际量子加密服务。研究人员通过在欧洲和中国之间建立安全视频会议测试了该系统。这个过程很简单。量子加密依靠所谓的一次性密码本来保证隐私。这是一组随机数（密钥），双方可以使用它来编码和解码消息。一次性密码本的问题在于确保只有选定的发送者和接收者拥有它们。这个问题可以通过使用光子等量子粒子发送密钥来解决，因为总是可以判断量子粒子是否之前被观察到。如果已经观察到，则放弃该密钥并发送另一个密钥，直到双方都确定他们拥有未被观察到的一次性密码本。量子密钥分发是量子加密的核心。双方拥有密钥（即一次性密码本）后，他们可以通过普通经典信道进行绝对安全的通信。墨子号卫星只是从轨道上分发这个密钥。由于卫星位于两极上方的太阳同步轨道上，因此它每天大致在相同的当地时间经过地球表面的各个角落。假设当卫星经过位于中国河北省北部兴隆的中国地面站时，它会使用成熟的协议将一次性密码本以单光子编码发送到地面。当地球在卫星下方旋转，奥地利格拉茨的地面站进入视野时，墨子号会将相同的一次性密码本发送到那里的接收器。这样，两个地点就拥有了相同的密钥，使它们能够通过传统链路启动完全安全的通信。实验甚至更进一步。如果目标是在北京的中国科学院和维也纳的奥地利科学院之间举行视频会议，那么密钥必须安全地分发到这两个地点。为此，研究小组使用基于地面的光纤量子通信。这样建立的视频链路由高级加密标准 (AES) 保护，该标准每秒通过 128 位种子代码刷新一次。 9 月，他们举行了一场开创性的视频会议，会议持续了 75 分钟，总数据传输量约为 2 GB。“我们展示了地球上多个地点之间的洲际量子通信，最大间隔为 7,600 公里，”由维也纳大学的 Anton Zeilinger 和中国合肥中国科学技术大学的潘建伟领导的团队表示。该系统存在一些潜在的弱点，未来有待改进。也许最重要的是，在连接两个地面站的时间内，卫星被认为是安全的。这很可能是真的——谁能入侵一颗在轨道上运行的卫星？但是，这种安全性无法得到保证。然而，研究团队表示，未来可以通过端到端量子中继来解决这一问题。各国政府、军事运营商和商业企业都渴望拥有类似的安全能力。1
物理信号及其热核天体化学...
摘要：本文回顾了目前在外层空间部署的技术以及正在开发和批量生产的技术属性。本文以严谨的科学证据驳斥了中国国家控制的新华社几年前反对美国在外层空间部署核技术的宣传。此外，本文警告了应用于外层空间技术的物理信号的危险，这些信号可能威胁太阳系，尤其是使用光子束的墨子量子卫星。本文最后指出了中国在所谓的科学机构中怀有好战野心的非法行为。它违反了和平利用外层空间的精神，违背了大会通过的第 2222 (XXI) 号决议，包括禁止在外层空间部署大规模杀伤性武器的 1967 年《外层空间条约》。关键词：技术伦理；外层空间的和平发展；人类安全风险；科学证据；方法论；物理信号；热核天体化学；刑事判决。
中国空间科学卫星系列——回顾与未来展望
摘要：中国科学院国家空间科学中心是中国空间科学的门户，统筹管理全国科学卫星任务，是中国第一颗人造卫星“东方红一号”的诞生地。在60多年的发展历程中，国家空间科学中心牵头实施了中国第一个科学驱动的航天任务“双星计划”，并陆续实施了暗物质粒子探测器（悟空号）、量子实验卫星（墨子号）、硬X射线调制望远镜（慧马号）、太极一号、空间太阳天文台（夸父号）、爱因斯坦探测器（EP）等一批国家空间科学战略优先项目一、二期科学任务。目前，我国空间科学卫星系列已经基本形成，取得了丰硕的科研成果。未来，中欧联合发射的太阳风磁层电离层链路探测器（SMILE）也将于2025年发射。此外，刚刚发布的《国家中长期空间科学发展规划（2024-2050）》是我国首部国家级规划，确定了五大科学主题。围绕这些主题展开的一系列未来科学任务，将深化人类对宇宙的科学认识。
中国在量子领域有多创新？
总体而言，中国在量子通信领域占据主导地位，在量子计算领域落后，在量子传感领域与美国大致相当。国家资助的实验室、中国科学技术大学等精英大学以及少数私营企业正在推进与国家优先事项密切相关的技术。在量子通信领域，中国已取得全球领导地位，尤其体现在世界最长的量子密钥分发 (QKD) 网络——长达 1,200 英里的京沪干线网络的建设中。再加上将量子通信延伸到更远距离的开创性墨子号卫星，该网络使中国在安全、长距离量子通信领域处于领先地位。然而，在量子计算领域，中国明显落后，尤其是在硬件和量子系统的实际实施方面。在量子传感领域，中国在某些方面领先，而美国则在其他方面领先。这种对比——中国在更市场化的量子传感领域处于领先地位，而在不太成熟的量子计算领域却落后——说明了其在迅速改进和应用现有研究方面的优势，以及其在基础创新方面的局限性。
空间中的量子密钥分发
量子密钥分发 (QKD) 是一种提供防篡改通信的技术，可用于在无需直接物理接触的情况下安全地部署新的加密密钥。如果在 QKD 交换期间未检测到篡改，则无论计算能力未来如何改进（包括量子计算带来的潜在改进），都可以信任它生成的密钥。它具有重大机会来推进多个部门的安全通信并帮助确保国家关键功能的安全。尽管 QKD 已经是银行和股票交易行业投入运营的商业产品，但它的采用受到专用物理光纤依赖的阻碍，这带来了地理和成本方面的考虑，而这些考虑传统上对政府和私营企业来说是繁重的，并且限制了地面部署。这种情况在 2017 年发生了变化，当时中国卫星墨子号与地面站进行了 QKD。其他国家，包括英国、日本和加拿大，在实验性太空和地面 QKD 方面的经验也越来越多。有人认为，量子技术（因此 QKD）很像 20 世纪 60 年代的太空竞赛——美国不能屈居第二。美国最近的举措旨在为联邦政府的民用量子研究和开发提供数十亿美元的新资金。要推动 QKD 成为一项改变游戏规则的技术，需要在认证和标准化方面进行投资，首先要引起网络安全、卫星通信和其他需要安全通信的行业决策者的关注。