量子通信實現“中國領跑”

張利娟

量子通信技術被譽為影響人類未來的重大技術之一，成為國際競爭的新熱點。經過20多年的科研攻關，我國在量子通信領域取得了一系列世界領先的創新成果。從“墨子號”量子衛星成功發射，到量子“京滬干線”正式開通，再到在國際上首次實現的多維度量子隱形傳態……雖然在全球量子通信賽道中，中國起步并非最早，但如今已經實現了“彎道超車”。

量子“夢之隊”誕生

追溯量子通信的起源，需要從愛因斯坦的“幽靈”——量子糾纏的實證說起。

由于人們對糾纏態粒子之間的相互影響一直有所懷疑，幾十年來，物理學家一直試圖驗證這種神奇特性是否真實。1982年，法國物理學家艾倫·愛斯派克特（Alain Aspect）和他的小組成功地完成了一項實驗，證實了微觀粒子“量子糾纏”的現象確實存在。此后大量的實驗也都證實了愛因斯坦的幽靈——量子力學非定域性的存在。

在驗證“愛因斯坦的幽靈”的過程中，人們發展出了對量子系統進行精確調控的技術，從而使得利用量子力學進行全新的信息處理成為可能。在量子力學理論的基礎上，1993年，美國科學家本奈特（C. H. Bennett）和加拿大科學家布拉薩德（G. Brassard）提出了第一個量子密鑰分發（量子密碼）的協議。隨后，來自不同國家的6位科學家，提出了基于量子糾纏理論，可以將一個粒子的未知量子態傳送到遙遠地點而不需要傳遞這個粒子本身，即量子態隱形傳送的方案，這就是量子通信的基本應用。

1997年在奧地利蔡林格（A. Zeilinger）教授研究組留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。

然而，此時的潘建偉還有一個更為長遠的想法：在中國建立一個世界一流的量子實驗室，將量子為祖國所用。2001年，在中國科學院的支持下，從奧利地學成回國的潘建偉開始在中國科學技術大學組建量子物理與量子信息實驗室。

初創期間，困難重重。因為進行量子實驗，不僅需要光學知識，還要懂電子學、材料學、測探技術等。量子光學實驗是潘建偉的強項，但電子學卻是短板。他便把自己的同學楊濤拉入團隊，組織國內團隊的實驗，自己則在維也納繼續吸收光量子調控技術。

2003年，實驗室對光量子信息的實驗技術已經比較完善。但除了光的傳輸、操縱之外，信息的存儲非常重要，需要將光子所攜帶的信息存儲到接近絕對零度的冷原子介質里面。冷原子的技術成了下一個難關。于是，潘建偉便去德國海德堡尋求合作。

“2003年7月，我移居德國海德堡，與前同事約爾格·施密德邁耶合作，在德國建立了自己的實驗室。”潘建偉告訴《中國報道》記者，“在國家相關部門和海德堡大學的支持下，我繼續在國內開展多光子糾纏實驗研究，在海德堡，我進行冷原子量子存儲實驗研究。”

“我當時跟我國內的學生講，可以跟我去海德堡。但有一個條件，就是將來要回國和我一起做一點有意義的事情。”就這樣，潘建偉與學生達成了“心靈的約定”。

2008年，潘建偉把在德國的實驗室搬回中國科技大學，出國的學生也陸續歸來。回國后的團隊，已經非常“全能”，在國際上占有一席之地的量子“夢之隊”也自此造就。

9月20日，中國科學院發布消息說，中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉及其同事彭承志、范靖云等與美國加州理工學院、澳大利亞昆士蘭大學等單位科研工作人員合作，利用中國“墨子號”量子科學實驗衛星對一類預言引力場導致量子退相干的理論模型進行了實驗檢驗。

彎道超車，完成量子通信的大躍步

2016年8月16日凌晨，中國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功發射世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，完成了中國量子通信研究的一大飛躍，開啟了全球化量子通信時代之門。

“那種感覺和你的孩子馬上要出生一樣，在發射之前充滿了期待，因為‘我的孩子來了。但在出生那天，你又會感到很緊張，因為有太多不確定因素。”問及衛星發射前的心情，潘建偉回憶道，“在啟動后的最初30秒內緊張到胃疼，直到發射30秒鐘后，才逐漸放松。”

星地量子密鑰分發的實現，為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了可靠的技術基礎。星地量子糾纏分發和地星量子隱形傳態的實現，使人們可以利用量子糾纏所建立起的量子信道，構建起大尺度量子信息處理網絡的基本單元。

“‘墨子號作為一顆科學實驗衛星，在國際上率先實現了千公里級星地雙向量子糾纏分發、星地高速量子密鑰分發和地星量子隱形傳態等三大科學目標，使我國在量子通信領域躋身國際領先地位。”潘建偉自豪地說。

對此，國際權威學術期刊《自然》評價稱，“國際同行們正在努力追趕中國，中國現在顯然是衛星量子通信的世界領導者。”

2007年2月5日，中國科學技術大學教授潘建偉（中）在實驗室與同事討論實驗。

談到未來打算，潘建偉表示，希望把相關成果推向實用化。由于?“墨子號”是低軌衛星，過境時間短，未來將研制一顆過境時間更長的中高軌衛星，確保在更長時間里產生密鑰，滿足業務化運行的信息安全傳輸需要。目前“墨子號”只能在晚上工作，單顆衛星的效率還比較低，未來還希望突破日光背景下的量子通信技術，在此基礎上發射多個衛星組成一個“量子星座”，從而真正實現全球化的量子通信。