潘建偉的量子夢與“墨子”情

中國在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)“彎道超車”，并成為首個將量子科學(xué)實驗衛(wèi)星送入太空的國家

在全球的量子通信競賽中，中國雖然并不是起步最早的，但是在中國科學(xué)院院士潘建偉等眾多人的不懈努力下，中國在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)“彎道超車”，并成為首個將量子科學(xué)實驗衛(wèi)星送入太空的國家。

早在數(shù)年前，星地量子通信的中國夢已引發(fā)了世界的關(guān)注。

2012年8月9日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志以封面標(biāo)題形式發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室潘建偉團(tuán)隊的研究成果：他們在國際上首次成功實現(xiàn)了百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。

這一成果不僅刷新世界紀(jì)錄，有望成為遠(yuǎn)距離量子通信的“里程碑”，而且為發(fā)射全球首顆“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。該成果入選《自然》雜志公布的“2012年度全球十大新聞亮點”。

同年12月6日，《自然》雜志為該成果專門撰寫了長篇新聞特稿《數(shù)據(jù)隱形傳輸：量子太空競賽》，詳細(xì)報道了這場激烈的量子太空競賽。

建立“量子互聯(lián)網(wǎng)”

2009年，潘建偉和他的中國科大物理學(xué)家團(tuán)隊從位于北京北部丘陵的長城附近的實驗點，將激光瞄準(zhǔn)了16公里之外的屋頂上的探測器，然后利用激光光子的量子特性將信息“瞬移”過去。

這個距離刷新了當(dāng)時量子隱形傳態(tài)的世界紀(jì)錄，他們朝著團(tuán)隊的終極目標(biāo)——將光子信息隱形傳送到衛(wèi)星上——邁進(jìn)了重要的一步。

如果這一目標(biāo)實現(xiàn)，將會建立起“量子互聯(lián)網(wǎng)”的第一個鏈接，這個網(wǎng)絡(luò)將是運用亞原子尺度物理規(guī)律創(chuàng)建的一個超級安全的全球通信網(wǎng)絡(luò)。這也證實了中國在量子領(lǐng)域的不斷崛起，從十幾年前并不起眼的角色發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅。

2016年，中國領(lǐng)先歐洲和北美，發(fā)射了一顆致力于量子科學(xué)實驗的衛(wèi)星。

這為物理學(xué)家提供了一個測試量子理論基礎(chǔ)，以及探索如何融合量子理論與廣義相對論（是愛因斯坦關(guān)于空間、時間和引力所提出的截然不同的理論）的全新平臺。

這也標(biāo)志著潘建偉與維也納大學(xué)物理學(xué)家Anton Zeilinger之間的友誼（雖然存在激烈競爭）達(dá)到高峰。

Zeilinger曾是潘建偉的博士生導(dǎo)師；之后的七年，二人在遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)研究的賽跑中棋逢對手；此后他們又建立了合作關(guān)系。衛(wèi)星發(fā)射成功之后，兩位物理學(xué)家將創(chuàng)建第一個洲際量子加密網(wǎng)絡(luò)，通過衛(wèi)星連接亞洲和歐洲。

“我們有句老話，一日為師終身為父，”潘建偉說，“科研上，Zeilinger和我平等合作，但在情感上，我一直把他當(dāng)作我尊敬的長輩?！?/p>

迅速崛起

2001年，潘建偉建立了中國第一個光量子操縱實驗室；2003年，他提出了量子衛(wèi)星計劃。那時的他才30歲出頭。2011年，41歲的潘建偉成為當(dāng)時最年輕的中科院院士。

潘建偉小組的成員陳宇翱說：“他幾乎單槍匹馬地把這個項目推進(jìn)下去，并使中國在量子領(lǐng)域有了立足之地?！?/p>

潘建偉為何有如此動力？這要追溯到上世紀(jì)80年代后期他在中國科大的本科讀書經(jīng)歷。

那時，他第一次接觸到了原子領(lǐng)域一些“奇怪”的概念。微觀客體可以處于多個狀態(tài)的迭加態(tài)：例如，一個粒子可以同時處在順時針自旋狀態(tài)和逆時針自旋狀態(tài)，或者可以同時存在于兩個地方。這種多重的個性在數(shù)學(xué)上用波函數(shù)來描述，波函數(shù)給出了粒子處于每個狀態(tài)的概率。只有在粒子的某一特性被測量時，波函數(shù)才會坍塌，相應(yīng)的粒子才會處于一個確定地點的確定狀態(tài)。至關(guān)重要的是，即使在原則上都無法預(yù)言單次實驗的結(jié)果，粒子處于每個狀態(tài)的概率僅表現(xiàn)為一個統(tǒng)計分布，并且只有通過多次重復(fù)實驗才能得到。

由于量子糾纏的特性，當(dāng)考慮兩個或更多個粒子時，情況變得更加“古怪”了。多粒子系統(tǒng)可以被制備到某種狀態(tài)：即使粒子間距離遙遠(yuǎn)，即使粒子的物理性質(zhì)僅當(dāng)其被測量時才會存在確定的值，對于每個粒子某個物理性質(zhì)的測量結(jié)果之間總是會存在某種關(guān)聯(lián)性。

這種怪異性就好比分別位于維也納和北京的兩位物理學(xué)家同時擲硬幣，他們會發(fā)現(xiàn)每次結(jié)果都是正面朝上，或者都是反面朝上。

“我對這些奇怪的量子特性感到著迷?！迸私▊フf，“它們幾乎使我無法分心去學(xué)習(xí)其它東西?！彼腧炞C這些不可思議的理論，但是在當(dāng)時的中國，他找不到合適的量子物理實驗室。

20世紀(jì)90年代中期，Zeilinger在奧地利因斯布魯克大學(xué)建立了自己的量子實驗室，并且需要一名學(xué)生來檢驗他的一些實驗猜想。潘建偉認(rèn)為這是一個理想的選擇。于是，與大多數(shù)中國學(xué)生的選擇不同，潘建偉來到奧地利師從Zeilinger，與Zeilinger開始了一段決定二人此后二十年間事業(yè)上并駕齊驅(qū)的關(guān)系。

當(dāng)潘建偉在Zeilinger實驗室施展他的專業(yè)才華時，世界各地的物理學(xué)家開始慢慢認(rèn)識到，曾令潘建偉著迷的、深奧難懂的量子特性可以被用來創(chuàng)造比如量子計算機。

由于一個量子比特可以同時存在于0和1的疊加，它可能會建立起更快、更強大、能夠?qū)⒍鄠€量子比特糾纏起來的量子計算機，并能以驚人的速度并行執(zhí)行某些運算。

另一個新興的概念是極度安全的量子加密，可應(yīng)用在比如銀行交易等方面。其中的關(guān)鍵是測量一個量子系統(tǒng)會不可避免地破壞這個系統(tǒng)。因此，發(fā)報方（通常稱為“Alice”）和信息的接收方（通常稱為“Bob”）兩個人能夠產(chǎn)生并共享一套量子密鑰，其安全性在于來自竊聽者的任何干擾都會留下痕跡。

2001年，潘建偉回到中國的時候，量子技術(shù)的潛力已經(jīng)得到公認(rèn)，并吸引了中國科學(xué)院和中國國家自然科學(xué)基金委員會的財政支持。

“幸運的是，2000年中國的經(jīng)濟(jì)開始增長，因此當(dāng)時立即迎來了從事科研工作的好時機?！迸私▊フf。他全身心投入到了夢想中的實驗室的建設(shè)當(dāng)中。與此同時，在奧地利，Zeilinger轉(zhuǎn)到維也納大學(xué)。在那里，因為他的遠(yuǎn)見卓識，Zeilinger繼續(xù)創(chuàng)造著量子紀(jì)錄。他最著名的實驗之一表明，巴基球（含有60個碳原子的富勒烯分子）可以表現(xiàn)出波粒二象性，這是一個奇特的量子效應(yīng)，很多人曾認(rèn)為在如此大的分子中不可能存在這種效應(yīng)。

“每個人都在談?wù)摽梢杂眯〉碾p原子分子來嘗試一下這個實驗?！盳eilinger回憶說，“我說，‘不，伙伴們，不要只是思考前面的一兩步，請思考一下我們?nèi)绾文軐崿F(xiàn)一個超出所有人想象的大跳躍。’”

這使潘建偉深受教益。世界各地的物理學(xué)家們開始構(gòu)思，如何利用尚未實現(xiàn)的量子計算機來連接未來的量子互聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)大多數(shù)人仍滿足于在實驗臺上安全地得到量子信息時，潘建偉已經(jīng)開始思考如何能夠在太空中實現(xiàn)信息的隱形傳送。

紐約IBM的計算機科學(xué)家Charles Bennett和他的同事在1993年首次提出“量子隱形傳態(tài)”的概念，之所以有此名稱，陳宇翱說：它就像來自于《星際旅行》一樣，它使得關(guān)于一個量子客體的全部信息在某個地點被掃描輸入，并在一個新的地點重構(gòu)出來。這其中的關(guān)鍵就是糾纏：因為對處于糾纏態(tài)的其中一個粒子的操作會影響到另一個粒子。不管兩個粒子距離多遠(yuǎn)，它們可以像一條量子電話線兩端的電話機那樣被操控，在兩個相距甚遠(yuǎn)的地點之間傳送量子信息。

當(dāng)同時產(chǎn)生的糾纏粒子被發(fā)送到電話線連接的兩端時，問題就出現(xiàn)了。傳遞過程中充滿著噪音、散射相互作用和各種形式的其它干擾，任何一種干擾都會破壞隱形傳態(tài)所必需的精巧的量子關(guān)聯(lián)。例如，目前糾纏光子是通過光纖傳輸，但是光纖會吸收光，這使得光子的傳輸距離僅限于幾百公里。標(biāo)準(zhǔn)的放大器起不到作用，因為放大過程會破壞量子信息。陳宇翱說：“要在城域距離之外實現(xiàn)隱形傳態(tài)，我們需要衛(wèi)星的幫助?！?/p>

但是當(dāng)光子通過地球湍流的大氣層一直向上，到達(dá)幾百公里的衛(wèi)星時，糾纏會不會繼續(xù)保持？為了回答這個問題，潘建偉的研究團(tuán)隊于2005年開展了晴空下傳輸距離不斷擴大的地基可行性實驗，探究光子與空氣分子發(fā)生碰撞后能否繼續(xù)維持糾纏性質(zhì)。但他們還需要建立一個靶標(biāo)探測器，這個探測器必須小到能夠裝配到衛(wèi)星上，并且靈敏度必須足以從背景光中篩選出被傳送的光子，而且還得保證，他們可以將光子束足夠聚焦，讓其能夠打到探測器。

這個工作激起了Zeilinger的競爭意識。“中國人在做了，因此我們想，為什么我們不試試呢？一些友好的競爭總是好的。”

競爭促使光子傳輸距離的世界紀(jì)錄不斷被刷新。在接下來的七年中，中國的研究團(tuán)隊通過在合肥、北京長城以及在青海開展的一系列實驗，將隱形傳態(tài)的距離越推越遠(yuǎn)，直到它超過97公里。

2012年5月，他們將成果張貼在物理預(yù)印本服務(wù)器ArXiv上。這讓奧地利團(tuán)隊十分懊惱，因為他們正在撰寫在加那利群島之間隱形傳態(tài)光子的實驗論文。

8天后，他們在ArXiv上貼出了論文，報道他們的隱形傳態(tài)取得了143公里的新紀(jì)錄。兩篇文章最終先后發(fā)表在《自然》雜志上。

“我認(rèn)為這可以表明一個事實，即每個實驗都有不同以及互補的價值。”維也納大學(xué)物理學(xué)家、奧地利團(tuán)隊成員馬曉松說。

在自由空間量子通信領(lǐng)域，中國團(tuán)隊和奧地利團(tuán)隊之間不斷競爭，從糾纏光子的分發(fā)到量子隱形傳態(tài)，創(chuàng)造了一個又一個的里程碑。

兩支團(tuán)隊都認(rèn)為，向衛(wèi)星進(jìn)行隱形傳態(tài)在科學(xué)原理上已不存在問題。他們亟需的是一顆衛(wèi)星來裝載功能齊備的有效載荷設(shè)備，開展相關(guān)的量子實驗檢驗。Zeilinger的研究組一直在與歐洲空間局（ESA）商討建立量子衛(wèi)星計劃，但這些努力因拖延而漸漸告吹。

Zeilinger說：“它的運行機制太慢了，以至于沒有做出任何決策?！币环矫媸菤W空局的猶豫，另一方面中國國家航天局緊抓機會，得以擴大領(lǐng)先優(yōu)勢。在此當(dāng)中，潘建偉起到了決定性的推進(jìn)作用。“量子衛(wèi)星”的發(fā)射使得潘建偉在量子空間競賽中處于領(lǐng)先地位，他的研究團(tuán)隊將著手開展大量的科學(xué)實驗。

成功的關(guān)鍵

如果沒有通信對象，開發(fā)全球首個量子通信網(wǎng)絡(luò)就失去了意義。因此，潘建偉邀請他從前的競爭對手加入這個項目。他們的第一個共同目標(biāo)是在北京和維也納之間生成和共享一個安全的量子密鑰。

“總之，任何一個小組都無法獨立完成向衛(wèi)星隱形傳態(tài)這一極其艱巨的任務(wù)?！瘪R曉松說。盡管政府的主要興趣在于它可以推進(jìn)技術(shù)前沿，但許多物理學(xué)家對這個衛(wèi)星項目如此著迷卻是因為其它原因?！白鳛橐幻茖W(xué)家，驅(qū)使我不斷前行的動力在于進(jìn)一步探尋物理學(xué)的基礎(chǔ)?！标愑畎勘硎尽?/p>

迄今為止，量子理論的奇妙之處在實驗室里被不斷重復(fù)檢驗，但這些檢驗卻從未在太空尺度中進(jìn)行過。而且有理論認(rèn)為，如果量子理論可能會在某處遭遇挑戰(zhàn)，那必然是太空。大尺度是由另一個基本物理理論所掌控：廣義相對論。相對論將時間作為另一種維度與三維空間交織，從而創(chuàng)造一個四維時空結(jié)構(gòu)，包括宇宙。在巨大的物體如太陽周圍，這種可塑結(jié)構(gòu)將發(fā)生彎曲，表現(xiàn)為引力，引力將較小質(zhì)量的物體如行星拉向巨大物體。

目前的挑戰(zhàn)是，量子理論和廣義相對論對時空概念有著完全不同的理解，物理學(xué)家們一直致力于將它們?nèi)谌胍粋€統(tǒng)一的量子引力理論框架。在愛因斯坦的繪景里，即使在無窮小尺度上，時空都是完全光滑的。然而，量子不確定性卻意味著不可能在如此小的距離上測量空間性質(zhì)。目前尚不清楚是量子理論還是廣義相對論需要進(jìn)行修正，抑或二者都要進(jìn)行修正。

而衛(wèi)星實驗可以幫助測試量子理論的規(guī)則在引力牽引不能被忽略的尺度上是否仍然適用。

一個明顯的問題是，量子糾纏是否可以延伸到地球和衛(wèi)星之間。為了回答這個問題，研究組計劃在衛(wèi)星上制備一系列糾纏粒子對，將每對中的兩個粒子分別發(fā)送到兩個地面站，然后測量兩個粒子的性質(zhì)以驗證它們是否仍然存在關(guān)聯(lián)——而且設(shè)備運轉(zhuǎn)良好。

“如果糾纏不再存在，我們就不得不尋找另一種理論來代替量子理論?！毖芯肯蛐l(wèi)星進(jìn)行隱形傳態(tài)方案的瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)理論物理學(xué)家Nicolas Brunner說。

該衛(wèi)星還可更進(jìn)一步，檢驗一些候選的量子引力理論對時空結(jié)構(gòu)的預(yù)言。比如，所有這些理論都預(yù)測，如果科學(xué)家能以某種方式在10～35米（即普朗克長度）這一尺度觀測，空間、時間將呈現(xiàn)為顆粒狀。如果事實確實如此，那么光子從衛(wèi)星沿著這條顆粒感的道路的穿梭將會輕微減速，而且偏振方向?qū)⒂幸粋€微小、隨機的偏轉(zhuǎn)——這些效應(yīng)應(yīng)該足以被地面站記錄下來。

“衛(wèi)星將開啟一個真正全新的窗口，通往一個實驗物理學(xué)家此前從未涉足過的領(lǐng)域，這非常神奇。”來自意大利羅馬薩皮恩扎大學(xué)的物理學(xué)家Giovanni Amelino-Camelia說。

2016年8月16日凌晨，被命名為“墨子號”的量子科學(xué)實驗衛(wèi)星開啟星際之旅。它承載著率先探索星地量子通信可能性的使命，并將首次在空間尺度驗證量子理論的真實性。

“什么是我的夢想？我認(rèn)為，夢想不是你想要得到什么，而是你發(fā)現(xiàn)一個很美妙的事情，你想去做?！迸私▊フf，“我的夢想就是沿著這條路走下去，盡力把量子信息做到極致?！?/p>