中国量子卫星重大突破：率先实现“千公里级”星地双向量子纠缠分发

　　就像是一个隐喻，来自中国的“墨子号”量子卫星从太空发出两道红色的光，看上去像极了汉字里大写的“人”字，这幅景象被当作“封面”，刊印在6月17日的美国知名学术期刊杂志《科学》上。这一次中国科学站到了世界面前，而且是挺直腰杆，站在了最前沿。

　　6月16日，中国量子科学实验卫星首席科学家、中国科学技术大学副校长潘建伟院士在媒体的闪光灯下宣布：中国率先实现了“千公里级”的星地双向量子纠缠分发，打破了此前国际上保持多年的“百公里级”纪录，回答了爱因斯坦关于量子力学的“百年之问”。

　　中国量子科学实验卫星“墨子号”。 资料图片

　　赞誉、解读、报道纷至沓来——

　　《科学》杂志审稿人称该成果是“兼具潜在实际现实应用和基础科学研究重要性的重大技术突破”，并断言“毫无疑问将在学术界和广大的社会公众中产生非常巨大影响”。

　　美国波士顿大学量子技术专家谢尔吉延科评价：这是一个英雄史诗般的实验，中国研究人员的技巧、坚持和对科学的奉献应该得到最高的赞美与承认。

　　在中科院新闻发布当天，潘建伟没有刻意掩饰自己的激动，他说：“这是我这辈子目前为止，做过的最好的科学成果。”

　　尽管对他和他的团队来说，所谓领跑，或是创造世界纪录，早已是家常便饭——

　　就在一个月前，潘建伟团队研发的世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机问世。再往前，2003年，潘建伟团队实现了四光子纠缠态——一个量子纠缠研究领域基础性工作，此后多年，该团队又先后实现五光子、六光子、八光子、十光子纠缠，一直保持着多光子纠缠的世界纪录，并频频引来学界和媒体的关注。

　　英国《自然》杂志在报道潘建伟团队量子通信研究成果时就提到：这标志着中国在量子通信领域的崛起，从10年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅，将领先于欧洲和北美。

　　如今，以量子卫星最新实验为代表的成果，让中国再次挺进量子研究世界版图的中心。属于中国的量子时间似乎正在到来。

　　“世纪之问”：全球大国新博弈

　　人类之所以爱上科学，很大程度上在于它能够探索未知，满足我们的好奇心。如今，一个不难描述的未知问题摆在人类面前——

　　在人类肉眼看不到的微观世界中，事物究竟是以“概率”而存在的，还是“确定”存在的？举个关于足球的例子，在宏观世界，我们可以确定地知道它究竟在哪个点，但在微观世界，一个足球就相当于一个粒子，人们似乎只能判断它出现在足球场某个点的概率，却无法确切地知道它究竟在哪里。

　　量子力学正是微观世界“概率论”的最大支持者。量子论里有一种特性，即量子纠缠，简单来说，两个处于纠缠状态的量子，就像有“心灵感应”，无论这些粒子之间相隔多远，只要一个粒子发生变化，另外的粒子也会即刻“感知”，随之发生变化。

　　不过，爱因斯坦并不买账，并讥讽这个现象为“幽灵般的超距作用”。也因此，他和波尔等科学巨擘为此展开激烈争论，并留下一个“世纪年之问”：上帝掷骰子吗？换言之，微观世界都是由“概率”决定存在的吗？

　　全球相关领域的科学家，甚至是一些执政者都为这个问题着迷。因为，一旦这种特性得到最终验证，就有一个最为直接的应用，即通过量子纠缠所建立起来的量子信道不可破译，成为未来保密通信的“终极武器”。

　　按照潘建伟的说法，要让量子通信实用化，需要实现量子纠缠的“远距离”分发。一代又一代学者接力走下来，人类似乎遭遇了“瓶颈”：由于量子纠缠“太脆弱”，会随着光子在光纤内或地表大气中的传输距离而衰减，以往的实验只停留在“百公里”量级的距离。

　　潘建伟粗略地测算过，使用光纤进行量子分发，传输“百公里”距离，损耗已达99%；传输“千公里”的距离，每送1个光子大约需要3万年，“这就完全丧失了通信的意义”。

　　于是，一场大国间的“量子通信”竞赛就此出现，谁先冲到“千公里”的距离，似乎就能在这场赛跑中领先。潘建伟说：“大家不断地去‘拉长’这个距离，以此来验证量子纠缠的原理，步步逼近量子通信的实用目标。”

　　“弯道超车”：中国在太空领跑

　　事实上，在量子物理学诞生的一百多年里，有关研究始终长盛不衰。但是，在只争朝夕的国际科研竞争前几十年，一直难见到中国人的身影。起步晚，是中国人甩不掉的标签，但这并不妨碍我们“弯道超车”。

　　2003年，潘建伟团队开始实验“长距离”量子纠缠，从13公里到100公里，从追赶走向超越。2012年8月9日，国际学术期刊《自然》杂志以封面标题形式发表了潘建伟团队的研究成果：他们在国际上首次成功实现了“百公里”量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。

　　这一成果不仅刷新世界纪录，有望成为远距离量子通信的里程碑，而且为发射全球首颗量子科学实验卫星即如今的“墨子号”奠定了技术基础。同年12月6日，《自然》杂志为该成果专门撰写了长篇新闻特稿《数据隐形传输：量子太空竞赛》，详细报道了这场激烈的量子太空竞赛。

　　又过了4年，潘建伟团队通过发射“墨子号”卫星，将“量子纠缠”的实验距离拉到“1200公里”，把科学家一直假想的实验变成了现实，也让中国量子在太空中领跑全球。

　　加拿大滑铁卢大学量子技术专家延内魏因说，国际上确实存在量子科研竞赛。“中国团队已克服了好几个重大技术与科学挑战，清楚地表明了他们在量子通信领域处于世界领先地位。”

　　相应地，类似的实验，欧盟、加拿大、日本都有科学家在呼吁和推进。但或因技术积累不够，或因资金支持不够，目前进展缓慢。

　　以美国为例，2015年美国航空航天局宣布一项计划：在其总部与喷气推进实验室之间建立一个直线距离600千米、光纤皮长1000千米左右、10个中转基站的远距离光纤量子通信干线，并计划拓展到星地量子通信。不过，目前该计划尚未有实际进展的最新消息。

　　2015年年末，英国政府发布的《量子时代的技术机遇》报告显示，中国在量子科技的论文发表上排在全球第一、专利应用排名第二。在“第二次量子革命”的起步阶段，中国异军突起进入“领跑阵营”。

　　如今，在最新量子太空竞赛中，中国“墨子号”再次独占鳌头，第一个冲过“千公里”量级的跑线。参与这次实验的两个地面站分别是青海德令哈站和云南丽江高美古站，两站距离1203公里。有评论称，发射后仅仅数月，世界上首颗量子通信卫星就已经达到了它最具雄心的目标之一，量子通信向实用迈出一大步。

　　异军突起：体制机制做后盾

　　潘建伟不止一次地被问到：中国这一次为何得以领先欧美国家？

　　而他的回答，往往是“集中力量办大事”，有赖于中国“大科学”项目建设的高效性。

　　潘建伟说，这项成果是由一个“大团队”做出的。在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下，他和他的同事彭承志等组成的研究团队，联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中心等单位合作完成。

　　如此列举，并非只是在“功劳簿”上写上一笔。

　　潘建伟说，一切进展顺利时，大家也许意识不到，但一旦遇到磕磕碰碰，就能深切地意识到“某些环节或某个机构的不可或缺性”。他的一些欧洲、美国、加拿大同行，也曾有过类似的科学设想，但没有类似团队的全力支持，只能作罢。

　　比如，量子信息实验研究的先驱者、著名物理学家Anton Zeilinger 研究组以及欧洲众多的优秀研究团队一直在与欧洲空间局商讨建立以国际空间站为平台的星地量子通信计划。然而，欧空局缓慢的决策机制使得这一计划一再拖延。

　　而在我国，早在2003年，潘建伟就向中科院提出利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案。在当时的中科院内部，这个“闻所未闻的想法”并非没有收到质疑的声音，甚至有人说，“潘建伟疯了”！

　　不过，中科院最终咬牙批给了潘建伟团队100多万元——这在14年前可是一笔“相当大”的科研经费。

　　那时，有一个叫彭承志的，还是一头黑发的年轻小伙，如今却已是头发花白的量子卫星科学应用系统总师、中国科学技术大学的教授，也是这次“千公里”量级重要成果的主要完成人之一。

　　据他回忆，2003年，潘建伟找到还是博士生的他，向他描述量子通信的前景。他问潘建伟：“这个事，是不是挺牛的？”

　　潘建伟说：“是世界上最牛的，至少是之一”。

　　“作为一个年轻人能够做这样一件事情，我没有理由拒绝。”彭承志说。

　　按照潘建伟的说法，他从中国科大的研究起步，把人才布局辐射奥地利因斯布鲁克、英国剑桥、德国马普量子光学所……2008年，他带领在德国的团队整体回归中国科大，分布在世界各地的年轻学者也陆续回国，一支由他领衔、以陈宇翱、陆朝阳、张强、赵博等为代表的世界级研究团队“横空出世”。

　　如今，14年过去，“千公里”量级的关卡闯了过去，这支团队正朝着“30万公里”的终极距离去努力，继续检验量子力学。未来，还有可能和探月工程结合，到月球上做实验。

　　不过，潘建伟这位年仅47的院士仍有着“严重的危机感”。他说，没做成的时候有很多怀疑，现在花了这么多时间做成了，国际上都纷纷表示要“尽可能赶上”。

　　正如一位美国同行所说，虽然第一艘宇航飞船和第一个人造卫星都是苏联做出来的，但登月，美国却是第一个。他们觉得只要努力，就可以在量子领域赶超中国。

　　“所以，我们不敢懈怠。”潘建伟说。