印娟：與量子“糾纏”的女科學(xué)家

2016年8月18日凌晨，青海小城德令哈觀測站，小雨初歇。

印娟透過望遠(yuǎn)鏡，在重重疊疊的云縫里捕捉到一點亮光。那正是我國自主研制的世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”。“當(dāng)時‘墨子號離開地面將近48小時了，我們第一時間就將地面的信標(biāo)光覆蓋到它，為它點亮燈塔，打通建立天地鏈路的第一步。”在2022年夏天回憶起當(dāng)時的情形，這位“墨子號”的量子糾纏源載荷主任設(shè)計師仍然難抑激動。

2002年大二暑假，印娟進(jìn)入潘建偉教授的量子實驗室，她是第六個來到這個實驗室的學(xué)生，也是第一個女生。別看她當(dāng)時在實驗室年齡最小，正是她調(diào)出了實驗室多光子平臺第一個干涉曲線。印娟就這樣成了“潘之隊”的關(guān)鍵一棒。

被量子糾纏迷住的印娟從此投身量子通信領(lǐng)域。一晃二十載，從本科、碩士、博士、博士后、副研究員到特任教授，人生最好的年華中，她與“墨子號”衛(wèi)星和地面站“深情對望”，執(zhí)著守護(hù)。

所謂“量子糾纏”，就像雙胞胎之間的心靈感應(yīng)一樣，處于糾纏的兩個粒子之間不論相隔多遠(yuǎn)，當(dāng)其中一個粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個粒子也會即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。量子糾纏的這種詭異的特性正是量子密碼、量子態(tài)隱形傳輸和量子計算機(jī)的核心資源。“潘老師最早想到在衛(wèi)星上實現(xiàn)量子通信，當(dāng)時很多人都覺得是天方夜譚。”印娟說。

2005年，第一次隨團(tuán)隊在合肥的大蜀山實現(xiàn)13公里自由空間雙向量子糾纏分發(fā)，證實遠(yuǎn)距離自由空間量子通信的可行性；2008年，在上海佘山，借助天文臺和衛(wèi)星之間的光信號星地傳輸，證明單光子級別光源也能被地面接收，為星地一體量子通信網(wǎng)絡(luò)提供實驗支撐。

地處高原、海拔達(dá)3200米以上的青海湖，為量子衛(wèi)星的各種技術(shù)驗證提供了絕佳的環(huán)境。2009年，印娟作為第一批“開荒者”，與同事們一起搭建帳篷，憑著一股子不服輸?shù)膭蓬^，苦蹲三年，在基地開展了一系列遠(yuǎn)距離量子通信實驗研究，在青海湖實現(xiàn)了首個超過100公里的量子糾纏分發(fā)實驗和量子隱形傳態(tài)實驗。這一工作成果發(fā)表在《自然》上。這也是印娟首次作為第一作者發(fā)表的論文。幾位審稿人高度評價該成果為“一個英雄的實驗工作”“有望成為遠(yuǎn)距離量子通信的里程碑”。

由于量子糾纏非常脆弱，而且會隨著光纖內(nèi)或者地表大氣中的傳輸距離而衰減，以往的量子分發(fā)實驗只停留在百公里的距離。此前，中國量子通信技術(shù)與世界其他國家基本持平，而量子衛(wèi)星科學(xué)實驗讓中國的量子通信技術(shù)一下子處于領(lǐng)跑地位。

2011年底，中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項將“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”正式立項，這標(biāo)志著原本屬于基礎(chǔ)研究的自由空間量子通信進(jìn)入了追求高可靠零失誤的航天工程領(lǐng)域。博士后出站、剛30歲的印娟被任命為量子糾纏源載荷主任設(shè)計師，與航天系統(tǒng)一起溝通協(xié)作。印娟全部精力投入到“零失誤”正樣飛行件產(chǎn)品生產(chǎn)中，她和團(tuán)隊成員形容這個過程為“打怪獸”，把能想象到的極端環(huán)境都模擬出來，一次次在樣機(jī)上發(fā)起挑戰(zhàn)。

2016年8月16日，“墨子號”衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，它在萬眾矚目中一飛沖天，從茫茫戈壁進(jìn)入衛(wèi)星軌道。那一刻，現(xiàn)場大屏幕上正講述著她們和“墨子號”的故事。

量子衛(wèi)星科學(xué)實驗取得的重大突破在于發(fā)現(xiàn)量子糾纏特性在1200公里的尺度上仍然存在。2017年6月16日，《科學(xué)》雜志率先向全球發(fā)表了“墨子號”實驗的三大任務(wù)之一——千公里級量子糾纏分發(fā)的最新研究成果。這也讓印娟成為團(tuán)隊里第一個同時擁有《自然》和《科學(xué)》第一作者身份的科學(xué)家。

從大蜀山的13公里、百公里再到天地間上千公里，印娟和團(tuán)隊所有人一起，走得充滿艱辛卻步履堅定。而通過十幾年的努力，我國在地面光纖和衛(wèi)星量子通信領(lǐng)域都確立了國際領(lǐng)先的地位。

印娟說，自己和“墨子號”是相互選擇、相互成就，“正是由于在每個細(xì)節(jié)上做到最好，這顆衛(wèi)星才沒有辜負(fù)國家的重托和公眾的期待”。