量子奧秘的“追夢人”

季海

70年，光輝歲月彈指揮間;70年，中華大地滄桑巨變。建國70周年，無數輝煌映現。我們驕傲，我們自豪;我們幸福，我們感恩！任時光荏苒，華夏兒女初心不忘，砥礪前行！

2019年8月中旬，一條重磅消息在國際物理學界擴散：中國科學家潘建偉和他的研究團隊，在全世界首次成功實現高維量子體系的隱形傳態，為發展高效量子網絡奠定了堅實的科學基礎。國際權威學術期刊《物理評論快報》稱其是“量子通信領域的一個里程碑”！

看了上面的消息，你也許會有些疑惑：什么是量子體系？什么是隱形傳態？這到底是一種怎樣的技術？別著急，本期我們就帶你初步了解量子通信知識，以及我國在量子通信領域領跑全球的“夢之隊”。

神奇的量子通信

自從文字誕生以來，人類就為如何加密信息內容費盡心思。從公元前古希臘人的木棍加密法到愷撒大帝的愷撒移位編碼，再從第二次世界大戰時期的恩尼格瑪密碼機到現在的涉密計算機，人們對加密技術的研究從未停止。然而，“道高一尺，魔高一丈”，這些基于傳統方式的加密技術，在原理上或多或少都存在著漏洞，稍有不慎就會被別人破解。

近年來，隨著量子保密技術的出現，一種全新的安全通信方式即將誕生。在這個領域，我國走在了世界最前列。

大家知道，量子是表現出某物質或物理量特性的最小單元。量子通信里所用到的光量子（以下簡稱“光子”），是傳遞電磁相互作用的基本粒子。人們利用單個光子來加載信息時，竊密者就無法截取“半個光子”來竊取信息。

而且，一旦竊密者試圖對其進行復制，就必然會擾動原本的量子態，從而被通信方察覺。這就好比古人在信封上用火漆封口，一旦信件中途被拆開，就會留下痕跡。量子態保密功能比火漆更完備，一旦有人試圖打開“信件”，“信件”就會自毀，并通知使用者。

你知道嗎？

量子態就是微觀粒子可能具有的狀態——能量狀態。好比一個教室中有許多座位，某個學生可以去坐某個座位，某個座位也可以空著。這里的座位就相當于量子態，學生就相當于微觀粒子。

信息科學在高速發展，信息安全卻舉步維艱，量子通信是目前唯一被嚴格證明的無條件安全的信息傳輸方式。

量子科研“夢之隊”

在我國的量子科技研究隊伍中，有一支杰出的團隊，領軍人物正是中國科學技術大學（以下簡稱“中科大”）常務副校長、中國科學院量子信息與量子科技創新研究院院長——潘建偉。

1996年，潘建偉從中科大近代物理系碩士畢業，經導師推薦，遠赴奧地利維也納大學攻讀博士學位，師從量子物理學研究的世界級大師安東·塞林格。在中國科學院的支持下，學成回國的潘建偉開始在中科大組建量子物理與量子信息研究部，并陸續將一批有潛力的學生送到國外深造，最終成就了世界上著名的量子“夢之隊”。

2005年，潘建偉和同事通過在合肥城區內進行的13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發實驗，證明光子穿透大氣層后，其量子態能夠有效保持，從而驗證了衛星和地面進行量子通信的可行性。2008年和2011年，潘建偉團隊先后在北京八達嶺長城和青海省青海湖進行實驗，為量子科學實驗衛星上天做了充分的技術準備。

從“墨子號”到“京滬干線”

2016年8月16日，我國發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，將首次實現衛星和地面之間的量子通信。

“墨子號”衛星要完成三個科學實驗，第一個實驗是量子密鑰分發。量子密鑰是根據量子力學的原理，提供一種不可破譯的密鑰。這項實驗，中國科學家在實驗室里已經做了很多次，但在地面上拉長量子密鑰的傳輸距離是很困難的。若想要建立一個覆蓋全球的量子通信網絡，科學家必須把衛星作為傳輸平臺。

第二個實驗要驗證量子糾纏現象。它描述了兩個粒子互相糾纏，即使彼此之間距離遙遠，一個粒子的狀態也會影響另一個粒子的狀態。好比甲、乙兩人，當甲跳出一段舞蹈動作時，相距不遠的乙也能做出完全一樣的舞蹈動作。不論甲處于什么運動狀態，乙總能絲毫不差地進行模仿。

在地面上，科學家已經證明了量子糾纏現象是存在的，但若粒子之間相隔的距離達到1000公里甚至10000公里時，這種神奇的現象還會存在嗎？所以，“墨子號”衛星的第二個任務，就是要驗證即使相距上千公里，粒子之間依然存在量子糾纏現象。

第三個實驗是量子隱形傳態。這是一種全新的通信方式，是借助量子糾纏現象，把信息完整地重現在另一個地方。待傳輸的量子信息如同經歷了科幻小說中的“超時空傳輸”，在一個地方神秘消失，又在另一個地方神秘出現——中國科學家打算在衛星上將一個糾纏光子對，同時發送到相隔1000多公里的兩個地面站上。這可不是一件容易的事情，相當于一個人坐在飛機上，拿著硬幣往下扔，并且準確地扔進地面的儲蓄罐里，其難度可想而知。

最終，在中國科學家團隊的精心組織和密切協作下，“墨子號”衛星成功完成了預定的三大科學實驗目標。

僅僅過了1年，世界首條千公里級量子通信保密干線“京滬干線”正式開通，并與“墨子號”衛星建立了天地鏈路。

不久之后，中國科學家成功實現了中國北京和奧地利維也納之間，長達7600公里的洲際量子密鑰分發，并利用共享密鑰實現加密數據傳輸和視頻通信。

這是人類歷史上的第一次洲際量子保密通信。國際權威學術期刊《自然》發出感嘆：“國際同行們正在努力追趕中國，而中國現在顯然是衛星量子通信的世界領跑者。”

光榮與夢想

2018年12月18日，潘建偉被黨中央、國務院授予“改革先鋒”稱號，12月22日入選“中國改革開放海歸40年40人”榜單。同年4月，他入選美國《時代周刊》2018年度“全球最具影響力人物”榜單。

2019年1月31日，美國科學促進會宣布，潘建偉領銜的“墨子號”量子科學實驗衛星科研團隊被授予2018年度“美國科學促進會紐科姆·克利夫蘭獎”，以表彰他們在量子通信領域作出的巨大貢獻。美國科學促進會紐科姆·克利夫蘭獎設立90余年以來，這是中國科學家在本土完成的科研成果首次獲得這一榮譽。

面對紛至沓來的榮譽和獎項，潘建偉教授十分謙虛，他說：“我一直覺得，科學家有一種個人英雄主義，可直到做‘墨子號衛星相關工作時我才發現，在團隊力量面前，個人太渺小了。”在他看來，正是來自全國的十多個優秀科研團隊的鼎力合作，才使得“墨子號”衛星成為世界首顆上天的量子科學實驗衛星，也使中國在量子通信領域得以領跑世界。

除了團隊精神，甘于寂寞、踏實肯干的科研作風也是中國科學家們取得成果的重要保證。

“如果說當年楊振寧先生和李政道先生證明了，中國人在國外可以做很好的科學，那現在我們證明了，中國人在國內也可以做很好的科學。”潘建偉說，以往有一種誤區，認為中國人也許不適合做科學研究，“墨子號”這個名字和它取得的成果，充分證明了不論是古人還是今人，只要給我們一個好的時代，中國人就一定可以領跑世界。

談及未來，潘建偉和他的團隊期望建立起多顆衛星構成的網絡，將衛星作為可信中繼，實現地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發范圍擴展到全球。當然，他們還有更遠大的夢想：在地月間建立30萬公里或更遠距離的量子糾纏分發，檢驗量子物理的理論基礎，并探索引力與時空的結構。

“期盼在有生之年，我能親眼看見以量子計算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯網的誕生。”潘建偉堅定地說，“我相信中國科學家們做得到。”