姜俊芳

2016年8月16日1時(shí)40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空。這將使我國在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。

作為量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星先導(dǎo)專項(xiàng)首席科學(xué)家，潘建偉院士和他的團(tuán)隊(duì)在量子通信的研究道路上遭遇過怎樣不為人知的挫折？在歐美眾多實(shí)力強(qiáng)勁的國家中，潘建偉團(tuán)隊(duì)為何選擇奧地利作為量子通信項(xiàng)目的合作伙伴？作為量子通信領(lǐng)域的技術(shù)強(qiáng)國，中國正從經(jīng)典信息技術(shù)的跟隨者，轉(zhuǎn)變成未來信息技術(shù)的并跑者乃至領(lǐng)跑者，而在此過程中，我國量子通信技術(shù)在發(fā)展過程中又有著怎樣里程碑式的事件？

為獲取這些問題的答案，我們邀請(qǐng)到了中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉，并對(duì)其進(jìn)行了專題訪問。

尖端科技背后的故事

潘建偉介紹，在量子通信技術(shù)的研發(fā)過程中，單個(gè)光量子的制備和探測是主要的兩個(gè)技術(shù)難題。首先是制備單個(gè)光量子的技術(shù)難題。潘建偉舉了一個(gè)非常形象的例子來解釋這一關(guān)鍵技術(shù)的難度：一個(gè)十五瓦左右的普通燈泡每秒鐘輻射出的光量子個(gè)數(shù)可以達(dá)到百億億個(gè)，要想實(shí)現(xiàn)單個(gè)光量子的制備就如同在瞬間發(fā)射出來的百億億個(gè)光量子中捕捉到其中的一個(gè)，技術(shù)難度可想而知。另一個(gè)難題是單光子的探測。單個(gè)光子是光能量的最小單元，能量非常微弱，需要發(fā)展出非常精密和高效的單光子探測技術(shù)。具備了單個(gè)光量子的制備和探測的能力后，我們就可以實(shí)現(xiàn)安全的量子通信了。

量子信息的應(yīng)用除了實(shí)現(xiàn)無條件安全的通信外，還可以帶來計(jì)算能力的飛躍，這就需要把一個(gè)個(gè)的單量子糾纏起來。量子計(jì)算機(jī)的能力是隨著糾纏粒子數(shù)目呈指數(shù)增長的，例如，有100個(gè)粒子的糾纏，每個(gè)粒子可以處于“0”和“1”的相干疊加，100個(gè)糾纏的粒子就可以同時(shí)處于2100個(gè)狀態(tài)的疊加，這就相當(dāng)于同時(shí)對(duì)2100個(gè)數(shù)進(jìn)行操縱，計(jì)算能力大幅提升。把一個(gè)個(gè)粒子糾纏起來需要對(duì)它們之間的相互作用進(jìn)行精確的控制，同時(shí)還要保證克服環(huán)境的干擾。潘建偉團(tuán)隊(duì)通過一種名為“光晶格”的實(shí)驗(yàn)裝置成功攻克了這一技術(shù)難題，而“光晶格”捕捉單個(gè)原子的技術(shù)原理就如同把雞蛋逐個(gè)放入蛋槽的過程，每個(gè)光晶格中只能容納一個(gè)原子，再通過人為控制這些原子的相互作用，使得它們糾纏起來。雖然現(xiàn)在的技術(shù)水平已經(jīng)發(fā)展到可以操縱數(shù)百個(gè)原子，但要實(shí)現(xiàn)數(shù)百個(gè)原子之間的量子糾纏態(tài)還有很長的路要走。潘建偉解釋說，如果將幾百個(gè)原子糾纏在一起，就能夠演示量子計(jì)算機(jī)的基本功能了。

奧地利—夢(mèng)開始的地方

據(jù)了解，此次“墨子號(hào)”量子通信衛(wèi)星包含了國際合作任務(wù)，并選擇了奧地利作為首個(gè)國際合作伙伴。為何偏偏選擇奧地利？這還要從潘建偉的求學(xué)經(jīng)歷說起。

潘建偉在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)習(xí)期間，第一次領(lǐng)略到量子世界的奇妙。但隨著對(duì)量子研究的深入，他越發(fā)意識(shí)到量子理論中的各種奇特現(xiàn)象需要更加尖端的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和條件才能夠得到驗(yàn)證，而當(dāng)時(shí)國內(nèi)在這方面還相對(duì)落后。于是，在1996年潘建偉來到奧地利因斯布魯克大學(xué)，師從奧地利物理學(xué)家Anton Zeilinger攻讀博士學(xué)位。那時(shí)Anton Zeilinger教授已經(jīng)建立了量子實(shí)驗(yàn)室，并且是量子物理學(xué)領(lǐng)域的國際權(quán)威。在奧地利，潘建偉和同事們完成了國際上首次實(shí)現(xiàn)光子的量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)，這被認(rèn)為是量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開端。此后幾年，潘建偉和同事們又先后實(shí)現(xiàn)了一系列量子信息領(lǐng)域的先驅(qū)性實(shí)驗(yàn)，這些寶貴的經(jīng)歷為以后潘建偉在量子通信領(lǐng)域的突破性貢獻(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。潘建偉對(duì)奧地利的特殊感情還不止于此。潘建偉在奧地利求學(xué)期間，一直得到了奧地利外交部和學(xué)術(shù)交流機(jī)構(gòu)的資助。博士畢業(yè)后，潘建偉又繼續(xù)在維也納大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理所從事博士后研究，而維也納大學(xué)正是薛定諤等量子力學(xué)的奠基人工作過的地方，無疑是量子力學(xué)的“圣地”之一。

所以，當(dāng)昔日的老師主動(dòng)提出加入我國的量子衛(wèi)星計(jì)劃時(shí)，奧地利便順理成章地成了中國量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目的第一個(gè)國際合作伙伴。潘建偉提到，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星會(huì)向全世界開放，在奧地利之后，德國、意大利、加拿大等國的團(tuán)隊(duì)也主動(dòng)請(qǐng)求加入。

追尋量子通信發(fā)展的軌跡

潘建偉在接受采訪時(shí)談到，作為量子通信領(lǐng)域的技術(shù)強(qiáng)國，中國正從經(jīng)典信息技術(shù)的跟隨者，轉(zhuǎn)變成未來信息技術(shù)的并跑者乃至領(lǐng)跑者?；仡欀袊孔油ㄐ蓬I(lǐng)域的發(fā)展歷程，取得的優(yōu)異成績離不開先輩科學(xué)家們孜孜不倦的奮斗與拼搏。

潘建偉表示，我國在量子通信領(lǐng)域的研究起步較早，在上世紀(jì)90年代初就有郭光燦院士、張永德教授等老一輩科學(xué)家密切關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展，并且中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)已經(jīng)發(fā)表了一些該領(lǐng)域的文章。潘建偉強(qiáng)調(diào)說，中國量子通信領(lǐng)域能夠發(fā)展到今天這一步，與當(dāng)時(shí)中科院與時(shí)俱進(jìn)的敏銳眼光密切相關(guān)。他舉例說，在他2001年回國組建實(shí)驗(yàn)室時(shí)，一切都是從零開始。當(dāng)時(shí)，他向中科院申請(qǐng)了200萬元的經(jīng)費(fèi)，而中科院基礎(chǔ)局卻撥了400萬元。在中科院的重視和支持下，實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展速度非?？欤芸炀陀辛艘慌芍袊送瓿傻牧孔有畔㈩I(lǐng)域的重要成果。之后，中科院的支持力度又進(jìn)一步加大，同時(shí)，國內(nèi)其他團(tuán)隊(duì)也發(fā)展起來了。在2005年，國家的重大研究計(jì)劃也開始注意到了量子調(diào)控，在中科院物理所的于淥院士、南京大學(xué)的閔乃本院士等科學(xué)家的建議下，量子調(diào)控成為國家重大研究計(jì)劃的內(nèi)容，到目前這一計(jì)劃已經(jīng)執(zhí)行了十余年。正是由于國家的重點(diǎn)扶持，我國的量子通信技術(shù)才得以快速發(fā)展。近年來，中科院啟動(dòng)量子衛(wèi)星項(xiàng)目，國家發(fā)改委啟動(dòng)“京滬干線”項(xiàng)目，為量子通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式的發(fā)展注入了長足的動(dòng)力。但同時(shí)潘建偉也表示，歐美等國家也相繼啟動(dòng)了包括量子通信在內(nèi)的量子專項(xiàng)計(jì)劃，政府也給予了大力支持，所以我國在未來能否持續(xù)搶占量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)跑地位，還需要不斷創(chuàng)新、不斷前進(jìn)。

量子通信是目前為止唯一被嚴(yán)格證明可提供無條件安全的保密通信手段。我國發(fā)射的全球第一顆量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星以及“京滬干線”的建成，都將奠定中國在量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)跑地位。目前，在量子通信領(lǐng)域，無論是科學(xué)研究還是實(shí)際應(yīng)用，我國都已處于世界領(lǐng)先水平，我們也期待著，量子通信從理論到實(shí)驗(yàn)再到實(shí)踐的完美蛻變。

（本文轉(zhuǎn)自科普中國）