潘建偉的量子夢與“墨子”情

中國在量子通信領域已經實現“彎道超車”，并成為首個將量子科學實驗衛星送入太空的國家

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

早在數年前，星地量子通信的中國夢已引發了世界的關注。

2012年8月9日，國際權威學術期刊《自然》雜志以封面標題形式發表了中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室潘建偉團隊的研究成果：他們在國際上首次成功實現了百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發。

這一成果不僅刷新世界紀錄，有望成為遠距離量子通信的“里程碑”，而且為發射全球首顆“量子科學實驗衛星”奠定了技術基礎。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《數據隱形傳輸：量子太空競賽》，詳細報道了這場激烈的量子太空競賽。

建立“量子互聯網”

2009年，潘建偉和他的中國科大物理學家團隊從位于北京北部丘陵的長城附近的實驗點，將激光瞄準了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。

這個距離刷新了當時量子隱形傳態的世界紀錄，他們朝著團隊的終極目標——將光子信息隱形傳送到衛星上——邁進了重要的一步。

如果這一目標實現，將會建立起“量子互聯網”的第一個鏈接，這個網絡將是運用亞原子尺度物理規律創建的一個超級安全的全球通信網絡。這也證實了中國在量子領域的不斷崛起，從十幾年前并不起眼的角色發展為現在的世界勁旅。

2016年，中國領先歐洲和北美，發射了一顆致力于量子科學實驗的衛星。

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

這也標志著潘建偉與維也納大學物理學家Anton Zeilinger之間的友誼（雖然存在激烈競爭）達到高峰。

Zeilinger曾是潘建偉的博士生導師；之后的七年，二人在遠距離量子隱形傳態研究的賽跑中棋逢對手；此后他們又建立了合作關系。衛星發射成功之后，兩位物理學家將創建第一個洲際量子加密網絡，通過衛星連接亞洲和歐洲。

“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，我一直把他當作我尊敬的長輩。”

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，他提出了量子衛星計劃。那時的他才30歲出頭。2011年，41歲的潘建偉成為當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下去，并使中國在量子領域有了立足之地。”

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

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

由于量子糾纏的特性，當考慮兩個或更多個粒子時，情況變得更加“古怪”了。多粒子系統可以被制備到某種狀態：即使粒子間距離遙遠，即使粒子的物理性質僅當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的測量結果之間總是會存在某種關聯性。

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

“我對這些奇怪的量子特性感到著迷。”潘建偉說，“它們幾乎使我無法分心去學習其它東西。”他想驗證這些不可思議的理論，但是在當時的中國，他找不到合適的量子物理實驗室。

20世紀90年代中期，Zeilinger在奧地利因斯布魯克大學建立了自己的量子實驗室，并且需要一名學生來檢驗他的一些實驗猜想。潘建偉認為這是一個理想的選擇。于是，與大多數中國學生的選擇不同，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上并駕齊驅的關系。

當潘建偉在Zeilinger實驗室施展他的專業才華時，世界各地的物理學家開始慢慢認識到，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、能夠將多個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，可應用在比如銀行交易等方面。其中的關鍵是測量一個量子系統會不可避免地破壞這個系統。因此，發報方（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，量子技術的潛力已經得到公認，并吸引了中國科學院和中國國家自然科學基金委員會的財政支持。

“幸運的是，2000年中國的經濟開始增長，因此當時立即迎來了從事科研工作的好時機。”潘建偉說。他全身心投入到了夢想中的實驗室的建設當中。與此同時，在奧地利，Zeilinger轉到維也納大學。在那里，因為他的遠見卓識，Zeilinger繼續創造著量子紀錄。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）可以表現出波粒二象性，這是一個奇特的量子效應，很多人曾認為在如此大的分子中不可能存在這種效應。

“每個人都在談論可以用小的雙原子分子來嘗試一下這個實驗。”Zeilinger回憶說，“我說，‘不，伙伴們，不要只是思考前面的一兩步，請思考一下我們如何能實現一個超出所有人想象的大跳躍。’”

這使潘建偉深受教益。世界各地的物理學家們開始構思，如何利用尚未實現的量子計算機來連接未來的量子互聯網。當大多數人仍滿足于在實驗臺上安全地得到量子信息時，潘建偉已經開始思考如何能夠在太空中實現信息的隱形傳送。

紐約IBM的計算機科學家Charles Bennett和他的同事在1993年首次提出“量子隱形傳態”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出來。這其中的關鍵就是糾纏：因為對處于糾纏態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，它們可以像一條量子電話線兩端的電話機那樣被操控，在兩個相距甚遠的地點之間傳送量子信息。

當同時產生的糾纏粒子被發送到電話線連接的兩端時，問題就出現了。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所必需的精巧的量子關聯。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。標準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隱形傳態，我們需要衛星的幫助。”

但是當光子通過地球湍流的大氣層一直向上，到達幾百公里的衛星時，糾纏會不會繼續保持？為了回答這個問題，潘建偉的研究團隊于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生碰撞后能否繼續維持糾纏性質。但他們還需要建立一個靶標探測器，這個探測器必須小到能夠裝配到衛星上，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錄不斷被刷新。在接下來的七年中，中國的研究團隊通過在合肥、北京長城以及在青海開展的一系列實驗，將隱形傳態的距離越推越遠，直到它超過97公里。

2012年5月，他們將成果張貼在物理預印本服務器ArXiv上。這讓奧地利團隊十分懊惱，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取得了143公里的新紀錄。兩篇文章最終先后發表在《自然》雜志上。

“我認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。”維也納大學物理學家、奧地利團隊成員馬曉松說。

在自由空間量子通信領域，中國團隊和奧地利團隊之間不斷競爭，從糾纏光子的分發到量子隱形傳態，創造了一個又一個的里程碑。

兩支團隊都認為，向衛星進行隱形傳態在科學原理上已不存在問題。他們亟需的是一顆衛星來裝載功能齊備的有效載荷設備，開展相關的量子實驗檢驗。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。”一方面是歐空局的猶豫，另一方面中國國家航天局緊抓機會，得以擴大領先優勢。在此當中，潘建偉起到了決定性的推進作用。“量子衛星”的發射使得潘建偉在量子空間競賽中處于領先地位，他的研究團隊將著手開展大量的科學實驗。

成功的關鍵

如果沒有通信對象，開發全球首個量子通信網絡就失去了意義。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星隱形傳態這一極其艱巨的任務。”馬曉松說。盡管政府的主要興趣在于它可以推進技術前沿，但許多物理學家對這個衛星項目如此著迷卻是因為其它原因。“作為一名科學家，驅使我不斷前行的動力在于進一步探尋物理學的基礎。”陳宇翱表示。

迄今為止，量子理論的奇妙之處在實驗室里被不斷重復檢驗，但這些檢驗卻從未在太空尺度中進行過。而且有理論認為，如果量子理論可能會在某處遭遇挑戰，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，從而創造一個四維時空結構，包括宇宙。在巨大的物體如太陽周圍，這種可塑結構將發生彎曲，表現為引力，引力將較小質量的物體如行星拉向巨大物體。

目前的挑戰是，量子理論和廣義相對論對時空概念有著完全不同的理解，物理學家們一直致力于將它們融入一個統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。目前尚不清楚是量子理論還是廣義相對論需要進行修正，抑或二者都要進行修正。

而衛星實驗可以幫助測試量子理論的規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星之間。為了回答這個問題，研究組計劃在衛星上制備一系列糾纏粒子對，將每對中的兩個粒子分別發送到兩個地面站，然后測量兩個粒子的性質以驗證它們是否仍然存在關聯——而且設備運轉良好。

“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。”研究向衛星進行隱形傳態方案的瑞士日內瓦大學理論物理學家Nicolas Brunner說。

該衛星還可更進一步，檢驗一些候選的量子引力理論對時空結構的預言。比如，所有這些理論都預測，如果科學家能以某種方式在10～35米（即普朗克長度）這一尺度觀測，空間、時間將呈現為顆粒狀。如果事實確實如此，那么光子從衛星沿著這條顆粒感的道路的穿梭將會輕微減速，而且偏振方向將有一個微小、隨機的偏轉——這些效應應該足以被地面站記錄下來。

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

2016年8月16日凌晨，被命名為“墨子號”的量子科學實驗衛星開啟星際之旅。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？我認為，夢想不是你想要得到什么，而是你發現一個很美妙的事情，你想去做。”潘建偉說，“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。”