量子通信實現(xiàn)“中國領(lǐng)跑”

張利娟

量子通信技術(shù)被譽為影響人類未來的重大技術(shù)之一，成為國際競爭的新熱點。經(jīng)過20多年的科研攻關(guān)，我國在量子通信領(lǐng)域取得了一系列世界領(lǐng)先的創(chuàng)新成果。從“墨子號”量子衛(wèi)星成功發(fā)射，到量子“京滬干線”正式開通，再到在國際上首次實現(xiàn)的多維度量子隱形傳態(tài)……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(jīng)實現(xiàn)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(tài)粒子之間的相互影響一直有所懷疑，幾十年來，物理學(xué)家一直試圖驗證這種神奇特性是否真實。1982年，法國物理學(xué)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(xiàn)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(xué)非定域性的存在。

在驗證“愛因斯坦的幽靈”的過程中，人們發(fā)展出了對量子系統(tǒng)進(jìn)行精確調(diào)控的技術(shù)，從而使得利用量子力學(xué)進(jìn)行全新的信息處理成為可能。在量子力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，1993年，美國科學(xué)家本奈特（C. H. Bennett）和加拿大科學(xué)家布拉薩德（G. Brassard）提出了第一個量子密鑰分發(fā)（量子密碼）的協(xié)議。隨后，來自不同國家的6位科學(xué)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(tài)傳送到遙遠(yuǎn)地點而不需要傳遞這個粒子本身，即量子態(tài)隱形傳送的方案，這就是量子通信的基本應(yīng)用。

1997年在奧地利蔡林格（A. Zeilinger）教授研究組留學(xué)的中國青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地將一個量子態(tài)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(yuǎn)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(xué)院的支持下，從奧利地學(xué)成回國的潘建偉開始在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)組建量子物理與量子信息實驗室。

初創(chuàng)期間，困難重重。因為進(jìn)行量子實驗，不僅需要光學(xué)知識，還要懂電子學(xué)、材料學(xué)、測探技術(shù)等。量子光學(xué)實驗是潘建偉的強項，但電子學(xué)卻是短板。他便把自己的同學(xué)楊濤拉入團隊，組織國內(nèi)團隊的實驗，自己則在維也納繼續(xù)吸收光量子調(diào)控技術(shù)。

2003年，實驗室對光量子信息的實驗技術(shù)已經(jīng)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(zhì)里面。冷原子的技術(shù)成了下一個難關(guān)。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(guān)部門和海德堡大學(xué)的支持下，我繼續(xù)在國內(nèi)開展多光子糾纏實驗研究，在海德堡，我進(jìn)行冷原子量子存儲實驗研究。”

“我當(dāng)時跟我國內(nèi)的學(xué)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(xué)生達(dá)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(xué)，出國的學(xué)生也陸續(xù)歸來。回國后的團隊，已經(jīng)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(xué)院發(fā)布消息說，中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事彭承志、范靖云等與美國加州理工學(xué)院、澳大利亞昆士蘭大學(xué)等單位科研工作人員合作，利用中國“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星對一類預(yù)言引力場導(dǎo)致量子退相干的理論模型進(jìn)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(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)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(fā)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(wèi)星發(fā)射前的心情，潘建偉回憶道，“在啟動后的最初30秒內(nèi)緊張到胃疼，直到發(fā)射30秒鐘后，才逐漸放松。”

星地量子密鑰分發(fā)的實現(xiàn)，為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。星地量子糾纏分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)的實現(xiàn)，使人們可以利用量子糾纏所建立起的量子信道，構(gòu)建起大尺度量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元。

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

對此，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》評價稱，“國際同行們正在努力追趕中國，中國現(xiàn)在顯然是衛(wèi)星量子通信的世界領(lǐng)導(dǎo)者。”

2007年2月5日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(guān)成果推向?qū)嵱没Ｓ捎?“墨子號”是低軌衛(wèi)星，過境時間短，未來將研制一顆過境時間更長的中高軌衛(wèi)星，確保在更長時間里產(chǎn)生密鑰，滿足業(yè)務(wù)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(wèi)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(shù)，在此基礎(chǔ)上發(fā)射多個衛(wèi)星組成一個“量子星座”，從而真正實現(xiàn)全球化的量子通信。