量子奥秘的“追梦人”

季海

70年，光辉岁月弹指挥间;70年，中华大地沧桑巨变。建国70周年，无数辉煌映现。我们骄傲，我们自豪;我们幸福，我们感恩！任时光荏苒，华夏儿女初心不忘，砥砺前行！

2019年8月中旬，一条重磅消息在国际物理学界扩散：中国科学家潘建伟和他的研究团队，在全世界首次成功实现高维量子体系的隐形传态，为发展高效量子网络奠定了坚实的科学基础。国际权威学术期刊《物理评论快报》称其是“量子通信领域的一个里程碑”！

看了上面的消息，你也许会有些疑惑：什么是量子体系？什么是隐形传态？这到底是一种怎样的技术？别着急，本期我们就带你初步了解量子通信知识，以及我国在量子通信领域领跑全球的“梦之队”。

神奇的量子通信

自从文字诞生以来，人类就为如何加密信息内容费尽心思。从公元前古希腊人的木棍加密法到恺撒大帝的恺撒移位编码，再从第二次世界大战时期的恩尼格玛密码机到现在的涉密计算机，人们对加密技术的研究从未停止。然而，“道高一尺，魔高一丈”，这些基于传统方式的加密技术，在原理上或多或少都存在着漏洞，稍有不慎就会被别人破解。

近年来，随着量子保密技术的出现，一种全新的安全通信方式即将诞生。在这个领域，我国走在了世界最前列。

大家知道，量子是表现出某物质或物理量特性的最小单元。量子通信里所用到的光量子（以下简称“光子”），是传递电磁相互作用的基本粒子。人们利用单个光子来加载信息时，窃密者就无法截取“半个光子”来窃取信息。

而且，一旦窃密者试图对其进行复制，就必然会扰动原本的量子态，从而被通信方察觉。这就好比古人在信封上用火漆封口，一旦信件中途被拆开，就会留下痕迹。量子态保密功能比火漆更完备，一旦有人试图打开“信件”，“信件”就会自毁，并通知使用者。

你知道吗？

量子态就是微观粒子可能具有的状态——能量状态。好比一个教室中有许多座位，某个学生可以去坐某个座位，某个座位也可以空着。这里的座位就相当于量子态，学生就相当于微观粒子。

信息科学在高速发展，信息安全却举步维艰，量子通信是目前唯一被严格证明的无条件安全的信息传输方式。

量子科研“梦之队”

在我国的量子科技研究队伍中，有一支杰出的团队，领军人物正是中国科学技术大学（以下简称“中科大”）常务副校长、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院院长——潘建伟。

1996年，潘建伟从中科大近代物理系硕士毕业，经导师推荐，远赴奥地利维也纳大学攻读博士学位，师从量子物理学研究的世界级大师安东·塞林格。在中国科学院的支持下，学成回国的潘建伟开始在中科大组建量子物理与量子信息研究部，并陆续将一批有潜力的学生送到国外深造，最终成就了世界上著名的量子“梦之队”。

2005年，潘建伟和同事通过在合肥城区内进行的13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验，证明光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而验证了卫星和地面进行量子通信的可行性。2008年和2011年，潘建伟团队先后在北京八达岭长城和青海省青海湖进行实验，为量子科学实验卫星上天做了充分的技术准备。

从“墨子号”到“京沪干线”

2016年8月16日，我国发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，将首次实现卫星和地面之间的量子通信。

“墨子号”卫星要完成三个科学实验，第一个实验是量子密钥分发。量子密钥是根据量子力学的原理，提供一种不可破译的密钥。这项实验，中国科学家在实验室里已经做了很多次，但在地面上拉长量子密钥的传输距离是很困难的。若想要建立一个覆盖全球的量子通信网络，科学家必须把卫星作为传输平台。

第二个实验要验证量子纠缠现象。它描述了两个粒子互相纠缠，即使彼此之间距离遥远，一个粒子的状态也会影响另一个粒子的状态。好比甲、乙两人，当甲跳出一段舞蹈动作时，相距不远的乙也能做出完全一样的舞蹈动作。不论甲处于什么运动状态，乙总能丝毫不差地进行模仿。

在地面上，科学家已经证明了量子纠缠现象是存在的，但若粒子之间相隔的距离达到1000公里甚至10000公里时，这种神奇的现象还会存在吗？所以，“墨子号”卫星的第二个任务，就是要验证即使相距上千公里，粒子之间依然存在量子纠缠现象。

第三个实验是量子隐形传态。这是一种全新的通信方式，是借助量子纠缠现象，把信息完整地重现在另一个地方。待传输的量子信息如同经历了科幻小说中的“超时空传输”，在一个地方神秘消失，又在另一个地方神秘出现——中国科学家打算在卫星上将一个纠缠光子对，同时发送到相隔1000多公里的两个地面站上。这可不是一件容易的事情，相当于一个人坐在飞机上，拿着硬币往下扔，并且准确地扔进地面的储蓄罐里，其难度可想而知。

最终，在中国科学家团队的精心组织和密切协作下，“墨子号”卫星成功完成了预定的三大科学实验目标。

仅仅过了1年，世界首条千公里级量子通信保密干线“京沪干线”正式开通，并与“墨子号”卫星建立了天地链路。

不久之后，中国科学家成功实现了中国北京和奥地利维也纳之间，长达7600公里的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。

这是人类历史上的第一次洲际量子保密通信。国际权威学术期刊《自然》发出感叹：“国际同行们正在努力追赶中国，而中国现在显然是衛星量子通信的世界领跑者。”

光荣与梦想

2018年12月18日，潘建伟被党中央、国务院授予“改革先锋”称号，12月22日入选“中国改革开放海归40年40人”榜单。同年4月，他入选美国《时代周刊》2018年度“全球最具影响力人物”榜单。

2019年1月31日，美国科学促进会宣布，潘建伟领衔的“墨子号”量子科学实验卫星科研团队被授予2018年度“美国科学促进会纽科姆·克利夫兰奖”，以表彰他们在量子通信领域作出的巨大贡献。美国科学促进会纽科姆·克利夫兰奖设立90余年以来，这是中国科学家在本土完成的科研成果首次获得这一荣誉。

面对纷至沓来的荣誉和奖项，潘建伟教授十分谦虚，他说：“我一直觉得，科学家有一种个人英雄主义，可直到做‘墨子号卫星相关工作时我才发现，在团队力量面前，个人太渺小了。”在他看来，正是来自全国的十多个优秀科研团队的鼎力合作，才使得“墨子号”卫星成为世界首颗上天的量子科学实验卫星，也使中国在量子通信领域得以领跑世界。

除了团队精神，甘于寂寞、踏实肯干的科研作风也是中国科学家们取得成果的重要保证。

“如果说当年杨振宁先生和李政道先生证明了，中国人在国外可以做很好的科学，那现在我们证明了，中国人在国内也可以做很好的科学。”潘建伟说，以往有一种误区，认为中国人也许不适合做科学研究，“墨子号”这个名字和它取得的成果，充分证明了不论是古人还是今人，只要给我们一个好的时代，中国人就一定可以领跑世界。

谈及未来，潘建伟和他的团队期望建立起多颗卫星构成的网络，将卫星作为可信中继，实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到全球。当然，他们还有更远大的梦想：在地月间建立30万公里或更远距离的量子纠缠分发，检验量子物理的理论基础，并探索引力与时空的结构。

“期盼在有生之年，我能亲眼看见以量子计算为终端、以量子通信为安全保障的量子互联网的诞生。”潘建伟坚定地说，“我相信中国科学家们做得到。”