在全球的量子通信競賽中，中國雖然并不是起步最早的，但是在中國科學院院士潘建偉等的不懈努力下，目前中國在量子通信領域已經(jīng)實現(xiàn)“彎道超車”，并將成為首個將量子科學實驗送入太空的國家。
今年夏天，全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星（QUESS）即將帶著探索星地量子通信的使命升空。但早在數(shù)年前，星地量子通信的中國夢想就已經(jīng)引發(fā)了世界的關注。
2012年8月9日，國際權威學術期刊《自然》雜志以封面標題形式發(fā)表了中國科學技術大學合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室潘建偉團隊的研究成果：他們在國際上首次成功實現(xiàn)了百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。
這一成果不僅刷新世界紀錄，有望成為遠距離量子通信的“里程碑”，而且為發(fā)射全球首顆“量子科學實驗衛(wèi)星”奠定了技術基礎。該成果入選《自然》雜志公布的“2012年度全球十大新聞亮點”。
同年12月6日，《自然》雜志為該成果專門撰寫了長篇新聞特稿《數(shù)據(jù)隱形傳輸：量子太空競賽》，詳細報道了這場激烈的量子太空競賽。
建立“量子互聯(lián)網(wǎng)”
七年前，潘建偉將“星際旅行”帶到了中國長城。
他和他的中國科大物理學家團隊從位于北京北部丘陵的長城附近的實驗點，將激光瞄準了16公里之外的屋頂上的探測器，然后利用激光光子的量子特性將信息“瞬移”過去。
這個距離刷新了當時量子隱形傳態(tài)的世界紀錄，他們朝著團隊的終極目標——將光子信息隱形傳送到衛(wèi)星上——邁進了重要的一步。
如果這一目標實現(xiàn)，它將會建立起“量子互聯(lián)網(wǎng)”的第一個鏈接，這個網(wǎng)絡將是運用亞原子尺度物理規(guī)律創(chuàng)建的一個超級安全的全球通信網(wǎng)絡。這也證實了中國在量子領域的不斷崛起，從十幾年前并不起眼的角色發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅。
2016年，中國將領先歐洲和北美，發(fā)射一顆致力于量子科學實驗的衛(wèi)星。這將為物理學家提供一個測試量子理論基礎，以及探索如何融合量子理論與廣義相對論（是愛因斯坦關于空間、時間和引力所提出的截然不同的理論）的全新平臺。
這也將標志著潘建偉與維也納大學物理學家Anton Zeilinger之間的友好友誼（雖然存在激烈競爭）達到高峰。Zeilinger曾是潘建偉的博士生導師；隨后七年，二人在遠距離量子隱形傳態(tài)研究的賽跑中棋逢對手；目前他們又建立了合作關系。一旦衛(wèi)星發(fā)射，兩位物理學家將創(chuàng)建第一個洲際量子加密網(wǎng)絡，通過衛(wèi)星連接亞洲和歐洲。
“我們中國有句老話，一日為師終生為父，”潘建偉說，“科研上，Zeilinger和我平等合作，但在情感上，我一直把他當作我尊敬的長輩。”
迅速崛起
2001年，潘建偉建立了中國第一個光量子操縱實驗室；2003年，他提出了量子衛(wèi)星計劃。那時的他才30歲出頭。2011年，41歲的潘建偉成為當時最年輕的中科院院士。
潘建偉小組的成員陳宇翱說：“他幾乎單槍匹馬地把這個項目推進下去，并使中國在量子領域有了立足之地。”
潘建偉為何有如此動力？這要追溯到上世紀80年代后期他在中國科大的本科讀書經(jīng)歷。
那時，他第一次接觸到了原子領域一些奇怪的概念。微觀客體可以處于多個狀態(tài)的迭加態(tài)：例如，一個粒子可以同時處在順時針自旋狀態(tài)和逆時針自旋狀態(tài)，或者可以同時存在于兩個地方。這種多重的個性在數(shù)學上用波函數(shù)來描述，波函數(shù)給出了粒子處于每個狀態(tài)的概率。只有在粒子的某一特性被測量時，波函數(shù)才會坍塌，相應的粒子才會處于一個確定地點的確定狀態(tài)。至關重要的是，即使在原則上都無法預言單次實驗的結(jié)果，粒子處于每個狀態(tài)的概率僅表現(xiàn)為一個統(tǒng)計分布，并且只有通過多次重復實驗才能得到。
由于量子糾纏的特性，當考慮兩個或更多個粒子時，情況變得更加古怪了。多粒子系統(tǒng)可以被制備到某種狀態(tài)：即使粒子間距離遙遠，即使粒子的物理性質(zhì)僅當其被測量時才會存在確定的值，對于每個粒子某個物理性質(zhì)的測量結(jié)果之間總是會存在某種關聯(lián)性。這種怪異性就好比分別位于維也納和北京的兩位物理學家同時擲硬幣，他們會發(fā)現(xiàn)每次結(jié)果都是正面朝上，或者都是反面朝上。
“我對這些奇怪的量子特性感到著迷。”潘建偉說，“它們幾乎使我無法分心去學習其它東西。”他想驗證這些不可思議的理論，但是在當時的中國，他找不到合適的量子物理實驗室。
當時，像潘建偉這樣處于萌芽階段的中國物理學家，正常的發(fā)展道路就是去美國深造——對他們而言這個過程再自然不過了，事實上，當時很多中國科大的學子都戲言，他們學校的縮寫“USTC”其實是“（美國人才培訓中心）United States Training Centre”之意。但是潘建偉只想拜量子實驗大師為師，對于他來說，這位大師就是物理學家Zeilinger。
1989年，Zeilinger曾經(jīng)與兩位物理學家——現(xiàn)紐約市立大學的物理學家Daniel Greenberger和現(xiàn)馬薩諸塞州伊斯頓斯通希爾學院的Michael Horne——合作，發(fā)現(xiàn)了關于三個或更多粒子糾纏的一個重要定理。這項工作無論是對該領域還是對于Zeilinger而言，都是一個轉(zhuǎn)折點。“在各種會議上，我意識到一些非常著名的年長的物理學家們開始把我看作量子專家了。”他說。
20世紀90年代中期，Zeilinger在奧地利因斯布魯克大學建立了自己的量子實驗室，并且需要一名學生來檢驗他的一些實驗猜想。潘建偉看上去是一個理想的選擇。于是，與大多數(shù)中國學生的選擇不同，潘建偉來到來奧地利師從Zeilinger，與Zeilinger開始了一段決定二人此后二十年間事業(yè)上并駕齊驅(qū)的關系。
即便當時潘建偉雖然還只是名研究生，但卻懷著為祖國服務的巨大心愿。第一次見面時，Zeilinger問潘建偉的夢想是什么。潘建偉回答說：“在中國建立一個像您實驗室這樣的領先世界的實驗室。”
這給Zeilinger留下了深刻的印象。“他剛來的時候?qū)θ绾卧趯嶒炇夜ぷ魉肆�，但他很快就掌握了游戲�?guī)則，并很快就開始創(chuàng)造自己的實驗。”Zeilinger說，“我一直相信他會前程似錦，但沒想到他居然會獲得如此令人難以置信的成功，我想這是任何人都無法事先預料的。我為他感到非常驕傲。”
當潘建偉在Zeilinger實驗室施展他的專業(yè)才華時，世界各地的物理學家開始慢慢認識到，曾令潘建偉著迷的、深奧難懂的量子特性可被用來創(chuàng)造如超強的量子計算機。
標準計算機通過編碼于二進位數(shù)（一連串的“0”和“1”）上的信息而緩慢地運行。但早在1981年，物理學家Richard Feynman就指出，量子位（又稱“量子比特”）不會如此步履維艱。因為一個量子比特可以同時存在于0和1的疊加，它可能會建立起更快、更強大的、能夠?qū)⒍鄠�量子比特糾纏起來的量子計算機，并能以驚人的速度并行地執(zhí)行某些運算。
另一個新興的概念是極度安全的量子加密，可在如銀行交易等方面獲得應用。其中的關鍵是測量一個量子系統(tǒng)會不可避免地破壞這個系統(tǒng)。因此，發(fā)報方（通常稱為Alice）和信息的接收方（通常稱為Bob）兩個人能夠產(chǎn)生并共享一套量子密鑰，其安全性在于來自竊聽者的任何干擾都會留下痕跡。
在2001年潘建偉回到中國的時候，量子技術的潛力已經(jīng)得到公認，并吸引了中國科學院和中國國家自然科學基金委員會的財政支持。“幸運的是，2000年中國的經(jīng)濟開始增長，因此當時立即迎來了從事科研工作的好時機。”潘建偉說。他全身心投入到了夢想中的實驗室的建設當中。
與此同時，在奧地利，Zeilinger轉(zhuǎn)到維也納大學。在那里，因為他的遠見卓識，Zeilinger繼續(xù)創(chuàng)造著量子紀錄。他最著名的實驗之一表明，巴基球（含有60個碳原子的富勒烯分子）可以表現(xiàn)出波—粒二像性，這是一個奇特的量子效應，很多人曾認為在如此大的分子中不可能存在這種效應。
“每個人都在談論可以用小的雙原子分子來嘗試一下這個實驗。”Zeilinger回憶說，“我說，‘不，伙伴們，不要只是思考前面的一兩步，請思考一下我們?nèi)绾文軐崿F(xiàn)一個超出所有人想象的大跳躍。’”
這使潘建偉深受教益。世界各地的物理學家們開始構思，如何利用尚未實現(xiàn)的量子計算機來連接未來的量子互聯(lián)網(wǎng)。當大多數(shù)人仍滿足于在實驗臺上安全地得到量子信息時，潘建偉已經(jīng)開始思考如何能夠在太空中實現(xiàn)信息的隱形傳送。
紐約IBM的計算機科學家Charles Bennett和他的同事1993年首次提出所謂的“量子隱形傳態(tài)”的概念，之所以有此名稱，陳宇翱說：“它就像來自于《星際旅行》一樣，”它使得關于一個量子客體的全部信息在某個地點被掃描輸入，并在一個新的地點重構出來。這其中的關鍵就是糾纏：因為對處于糾纏態(tài)的其中一個粒子的操作會影響到另一個粒子。不管兩個粒子距離多遠，它們可以像一條量子電話線兩端的電話機那樣被操控，在兩個相距甚遠的地點之間傳送量子信息。
當同時產(chǎn)生的糾纏粒子被發(fā)送到電話線連接的兩端時，問題就出現(xiàn)了。傳遞過程中充滿著噪音、散射相互作用和各種形式的其它干擾，任何一種干擾都會破壞隱形傳態(tài)所必需的精巧的量子關聯(lián)。例如，目前糾纏光子是通過光纖傳輸，但是光纖會吸收光，這使得光子的傳輸距離僅限于幾百公里。標準的放大器起不到作用，因為放大過程會破壞量子信息。陳宇翱說：“要在城域距離之外實現(xiàn)隱形傳態(tài)，我們需要衛(wèi)星的幫助。”
但是當光子通過地球湍流的大氣層一直向上，到達幾百公里的衛(wèi)星時，糾纏會不會繼續(xù)保持？為了回答這個問題，潘建偉的研究團隊（包括陳宇翱在內(nèi)）于2005年開展了晴空下傳輸距離不斷擴大的地基可行性實驗，探究光子與空氣分子發(fā)生碰撞后能否繼續(xù)維持糾纏性質(zhì)。但他們還需要建立一個靶標探測器，這個探測器必須小到能夠裝配到衛(wèi)星上，并且靈敏度必須足以從背景光中篩選出被傳送的光子。并且他們還得保證，他們可以將光子束足夠聚焦，讓其能夠打到探測器。
這個工作激起了Zeilinger的競爭意識。“中國人在做了，因此我們想，為什么我們不試試呢？”Zeilinger笑著說，“一些友好的競爭總是好的。”
競爭促使光子傳輸距離的世界紀錄不斷被刷新（見下圖）。在接下來的七年中，中國的研究團隊通過在合肥、北京長城以及在青海開展的一系列實驗，將隱形傳態(tài)的距離越推越遠，直到它超過97公里。
2012年5月，他們將成果張貼在物理預印本服務器ArXiv上。這讓奧地利團隊十分懊惱，因為他們正在撰寫在加那利群島之間隱形傳態(tài)光子的實驗論文。8天后，他們在ArXiv上貼出了論文，報道他們的隱形傳態(tài)取得了143公里的新紀錄。兩篇文章最終先后發(fā)表在《自然》雜志上。
“我認為這可以表明一個事實，即每個實驗都有不同以及互補的價值。”維也納大學物理學家、奧地利團隊成員馬曉松說。
在自由空間量子通信領域，中國團隊和奧地利團隊之間不斷競爭，從糾纏光子的分發(fā)到量子隱形傳態(tài)，創(chuàng)造了一個又一個的里程碑。
兩支團隊都認為，向衛(wèi)星進行隱形傳態(tài)在科學原理上已不存在問題。目前他們亟需一顆衛(wèi)星來裝載功能齊備的有效載荷設備，開展相關的量子實驗檢驗。
Zeilinger的研究組一直在與歐洲空間局（ESA）商討建立量子衛(wèi)星計劃，但這些努力因拖延而漸漸告吹。Zeilinger說：“它的運行機制太慢了，以至于沒有做出任何決策。”一方面是歐空局的猶豫，另一方面中國國家航天局緊抓機會，得以擴大領先優(yōu)勢。在此當中，潘建偉起到了決定性的推進作用，“量子衛(wèi)星”計劃在此推動下將于今年發(fā)射。這使得潘建偉在量子空間競賽中處于領先地位，他的研究團隊將著手開展大量的科學實驗。
成功的關鍵
但是，如果沒有通信對象，開發(fā)全球首個量子通信網(wǎng)絡就失去了意義。因此，潘建偉邀請他從前的競爭對手加入這個項目。他們的第一個共同目標是在北京和維也納之間生成和共享一個安全的量子密鑰。
“總之，任何一個小組都無法獨立完成向衛(wèi)星隱形傳態(tài)這一極其艱巨的任務。”馬曉松說。
盡管中國政府的主要興趣在于它可以推進技術前沿，但許多物理學家對這個衛(wèi)星項目如此著迷卻是因為其它原因。“作為一名科學家，驅(qū)使我不斷前行的動力在于進一步探尋物理學的基礎。”陳宇翱表示。
迄今為止，量子理論的奇妙之處在實驗室里被不斷重復檢驗，但這些檢驗卻從未在太空尺度進行過。而且有理論認為，如果量子理論可能會在某處遭遇挑戰(zhàn)，那必然是太空。大尺度是由另一個基本物理理論所掌控：廣義相對論。相對論將時間作為另一種維度與三維空間交織，從而創(chuàng)造一個四維時空結(jié)構，包括宇宙。在巨大的物體如太陽周圍，這種可塑結(jié)構將發(fā)生彎曲，表現(xiàn)為引力，引力將較小質(zhì)量的物體如行星拉向巨大物體。
目前的挑戰(zhàn)是，量子理論和廣義相對論對時空概念有完全不同的理解，物理學家們一直致力于將它們?nèi)谌胍粋�統(tǒng)一的量子引力理論框架。在愛因斯坦的繪景里，即使在無窮小尺度上，時空都是完全光滑的。然而，量子不確定性卻意味著不可能在如此小的距離上測量空間性質(zhì)。目前尚不清楚是量子理論還是廣義相對論需要進行修正，抑或二者都要進行修正。衛(wèi)星實驗可以幫助測試量子理論的規(guī)則在引力牽引不能被忽略的尺度上是否仍然適用。
一個明顯的問題是，量子糾纏是否可以延伸到地球和衛(wèi)星之間。為了回答這個問題，研究組計劃在衛(wèi)星上制備一系列糾纏粒子對，將每對中的兩個粒子分別發(fā)送到兩個地面站，然后測量兩個粒子的性質(zhì)以驗證它們是否仍然存在關聯(lián)——而且設備運轉(zhuǎn)良好。
“如果糾纏不再存在，我們就不得不尋找另一種理論來代替量子理論。”研究向衛(wèi)星進行隱形傳態(tài)方案的瑞士日內(nèi)瓦大學理論物理學家Nicolas Brunner說。
該衛(wèi)星還可更進一步，檢驗一些候選的量子引力理論對時空結(jié)構的預言。比如，所有這些理論都預測，如果科學家能以某種方式在10~35米（即普朗克長度）這一尺度觀測，空間、時間將呈現(xiàn)為顆粒狀。如果事實確實如此，那么光子從衛(wèi)星沿著這條顆粒感的道路的穿梭將會輕微減速，而且偏振方向?qū)⒂幸粋�微小、隨機的偏轉(zhuǎn)——這些效應應該足以被地面站記錄下來。
“衛(wèi)星將開啟一個真正全新的窗口，通往一個實驗物理學家此前從未涉足過的領域，這非常神奇。”來自意大利羅馬薩皮恩扎大學的物理學家Giovanni Amelino-Camelia說。
潘建偉、Zeilinger和他們的團隊正在仔細梳理近期加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究所召開的一系列研討會上提出的各種想法。在這些研討會上，物理學家們被要求提出其它一些衛(wèi)星能夠測試的基礎性問題。
會上所提出的這些問題包括：為何處于糾纏態(tài)的一個粒子總是知道遠端那個粒子的測量結(jié)果呢？糾纏量子對是否是通過某種未知的信息通道進行通信？在測量時，什么導致量子波函數(shù)坍塌？引力是否在以某種不確定的方式在起作用？時間到底是像廣義相對論中所描述的是精確定義的量，還是量子力學所預言的模糊量？
潘建偉說，要回答這一類的問題，需要極度精密的實驗儀器。但只要各團隊能夠團結(jié)協(xié)作，克服他們提出的技術挑戰(zhàn)將更加容易。
奧地利的研究團隊同樣也以飽滿的熱情加入新的合作。就像Zeilinger所言：“我的一個學生正開始學習漢語。”■