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(shù)輝煌映現(xiàn)。我們驕傲，我們自豪;我們幸福，我們感恩！任時(shí)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(xué)界擴(kuò)散：中國科學(xué)家潘建偉和他的研究團(tuán)隊(duì)，在全世界首次成功實(shí)現(xiàn)高維量子體系的隱形傳態(tài)，為發(fā)展高效量子網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》稱其是“量子通信領(lǐng)域的一個(gè)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(tài)？這到底是一種怎樣的技術(shù)？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(lǐng)域領(lǐng)跑全球的“夢之隊(duì)”。

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(nèi)容費(fèi)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(zhàn)時(shí)期的恩尼格瑪密碼機(jī)到現(xiàn)在的涉密計(jì)算機(jī)，人們對加密技術(shù)的研究從未停止。然而，“道高一尺，魔高一丈”，這些基于傳統(tǒng)方式的加密技術(shù)，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(shù)的出現(xiàn)，一種全新的安全通信方式即將誕生。在這個(gè)領(lǐng)域，我國走在了世界最前列。

大家知道，量子是表現(xiàn)出某物質(zhì)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(gè)光子來加載信息時(shí)，竊密者就無法截取“半個(gè)光子”來竊取信息。

而且，一旦竊密者試圖對其進(jìn)行復(fù)制，就必然會擾動原本的量子態(tài)，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(tài)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(tài)就是微觀粒子可能具有的狀態(tài)——能量狀態(tài)。好比一個(gè)教室中有許多座位，某個(gè)學(xué)生可以去坐某個(gè)座位，某個(gè)座位也可以空著。這里的座位就相當(dāng)于量子態(tài)，學(xué)生就相當(dāng)于微觀粒子。

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

量子科研“夢之隊(duì)”

在我國的量子科技研究隊(duì)伍中，有一支杰出的團(tuán)隊(duì)，領(lǐng)軍人物正是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱“中科大”）常務(wù)副校長、中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)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(yè)，經(jīng)導(dǎo)師推薦，遠(yuǎn)赴奧地利維也納大學(xué)攻讀博士學(xué)位，師從量子物理學(xué)研究的世界級大師安東·塞林格。在中國科學(xué)院的支持下，學(xué)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(xù)將一批有潛力的學(xué)生送到國外深造，最終成就了世界上著名的量子“夢之隊(duì)”。

2005年，潘建偉和同事通過在合肥城區(qū)內(nèi)進(jìn)行的13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，證明光子穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持，從而驗(yàn)證了衛(wèi)星和地面進(jìn)行量子通信的可行性。2008年和2011年，潘建偉團(tuán)隊(duì)先后在北京八達(dá)嶺長城和青海省青海湖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上天做了充分的技術(shù)準(zhǔn)備。

從“墨子號”到“京滬干線”

2016年8月16日，我國發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”，將首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信。

“墨子號”衛(wèi)星要完成三個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是量子密鑰分發(fā)。量子密鑰是根據(jù)量子力學(xué)的原理，提供一種不可破譯的密鑰。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，中國科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)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(gè)覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)，科學(xué)家必須把衛(wèi)星作為傳輸平臺。

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)要驗(yàn)證量子糾纏現(xiàn)象。它描述了兩個(gè)粒子互相糾纏，即使彼此之間距離遙遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的狀態(tài)也會影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)。好比甲、乙兩人，當(dāng)甲跳出一段舞蹈動作時(shí)，相距不遠(yuǎn)的乙也能做出完全一樣的舞蹈動作。不論甲處于什么運(yùn)動狀態(tài)，乙總能絲毫不差地進(jìn)行模仿。

在地面上，科學(xué)家已經(jīng)證明了量子糾纏現(xiàn)象是存在的，但若粒子之間相隔的距離達(dá)到1000公里甚至10000公里時(shí)，這種神奇的現(xiàn)象還會存在嗎？所以，“墨子號”衛(wèi)星的第二個(gè)任務(wù)，就是要驗(yàn)證即使相距上千公里，粒子之間依然存在量子糾纏現(xiàn)象。

第三個(gè)實(shí)驗(yàn)是量子隱形傳態(tài)。這是一種全新的通信方式，是借助量子糾纏現(xiàn)象，把信息完整地重現(xiàn)在另一個(gè)地方。待傳輸?shù)牧孔有畔⑷缤?jīng)歷了科幻小說中的“超時(shí)空傳輸”，在一個(gè)地方神秘消失，又在另一個(gè)地方神秘出現(xiàn)——中國科學(xué)家打算在衛(wèi)星上將一個(gè)糾纏光子對，同時(shí)發(fā)送到相隔1000多公里的兩個(gè)地面站上。這可不是一件容易的事情，相當(dāng)于一個(gè)人坐在飛機(jī)上，拿著硬幣往下扔，并且準(zhǔn)確地扔進(jìn)地面的儲蓄罐里，其難度可想而知。

最終，在中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的精心組織和密切協(xié)作下，“墨子號”衛(wèi)星成功完成了預(yù)定的三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

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(wèi)星建立了天地鏈路。

不久之后，中國科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn)了中國北京和奧地利維也納之間，長達(dá)7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)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(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)出感嘆：“國際同行們正在努力追趕中國，而中國現(xiàn)在顯然是衛(wèi)星量子通信的世界領(lǐng)跑者?！?/p>

光榮與夢想

2018年12月18日，潘建偉被黨中央、國務(wù)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(shí)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(xué)促進(jìn)會宣布，潘建偉領(lǐng)銜的“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星科研團(tuán)隊(duì)被授予2018年度“美國科學(xué)促進(jìn)會紐科姆·克利夫蘭獎(jiǎng)”，以表彰他們在量子通信領(lǐng)域作出的巨大貢獻(xiàn)。美國科學(xué)促進(jìn)會紐科姆·克利夫蘭獎(jiǎng)設(shè)立90余年以來，這是中國科學(xué)家在本土完成的科研成果首次獲得這一榮譽(yù)。

面對紛至沓來的榮譽(yù)和獎(jiǎng)項(xiàng)，潘建偉教授十分謙虛，他說：“我一直覺得，科學(xué)家有一種個(gè)人英雄主義，可直到做‘墨子號衛(wèi)星相關(guān)工作時(shí)我才發(fā)現(xiàn)，在團(tuán)隊(duì)力量面前，個(gè)人太渺小了?！痹谒磥?，正是來自全國的十多個(gè)優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)的鼎力合作，才使得“墨子號”衛(wèi)星成為世界首顆上天的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，也使中國在量子通信領(lǐng)域得以領(lǐng)跑世界。

除了團(tuán)隊(duì)精神，甘于寂寞、踏實(shí)肯干的科研作風(fēng)也是中國科學(xué)家們?nèi)〉贸晒闹匾ＷC。

“如果說當(dāng)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(xué)，那現(xiàn)在我們證明了，中國人在國內(nèi)也可以做很好的科學(xué)。”潘建偉說，以往有一種誤區(qū)，認(rèn)為中國人也許不適合做科學(xué)研究，“墨子號”這個(gè)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(gè)好的時(shí)代，中國人就一定可以領(lǐng)跑世界。

談及未來，潘建偉和他的團(tuán)隊(duì)期望建立起多顆衛(wèi)星構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，將衛(wèi)星作為可信中繼，實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)展到全球。當(dāng)然，他們還有更遠(yuǎn)大的夢想：在地月間建立30萬公里或更遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)，檢驗(yàn)量子物理的理論基礎(chǔ)，并探索引力與時(shí)空的結(jié)構(gòu)。

“期盼在有生之年，我能親眼看見以量子計(jì)算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯(lián)網(wǎng)的誕生。”潘建偉堅(jiān)定地說，“我相信中國科學(xué)家們做得到?！?/p>