“墨子”升空 首席科学家谈中国量子通信技术

出品：科普中国制作：中国科普博览监制：中国科学院计算机网络信息中心千百年来，人类一直渴望实现绝对安全的通信，而量子通信技术就能够非常完美的实现这一梦想。过去的十年里，“互联网+”改变了我们的生活，而现在“量子+”正在改变互联网。作为世界顶尖的前沿科学技术，潘建伟院士和他的团队在量子通信的研究道路上遭遇过怎样不为人知的挫折？在欧美众多实力强劲的国家中，潘建伟团队为何选择奥地利作为量子通信项目的合作伙伴？作为量子通信领域的技术强国，中国正从经典信息技术的跟随者，转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者，而在此过程中我国量子通信技术的发展过程中又有着怎样里程碑式的事件？更多关于量子卫星的最新独家报道，我们邀请到了中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟进行了专题访问。

图1中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟尖端科技背后的故事量子通信是基于量子力学基本原理的前沿技术。近年来，以潘建伟团队为代表的中国科学家在量子通信领域取得了举世瞩目的重要科研成果，在尖端科技发展的过程中，我国科学家都经历了哪些不为人知的挫折和磨难？尖端科技的背后又隐藏着怎样的技术难题？潘建伟介绍说，在量子通信技术的研发过程中，单个光量子的制备和探测是主要的两个技术难题。首先，制备单个光量子的技术难题。潘建伟举了一个非常形象化的例子来解释这一关键技术的难度：一个普通的十五瓦左右的灯泡每秒钟辐射出的光量子个数可以达到百亿亿个，想要实现单个光量子的制备就如同在这百亿亿个光量子发射出来的瞬间捕捉到其中的某一个，技术难度可想而知。另一个难题是单光子的探测。单个光子已经是光能量的最小单元，能量是非常微弱的，需要发展出非常精密和高效的单光子探测技术。具备了单个光量子的制备和探测的能力后，我们就可以用来实现安全的量子通信了。量子信息的应用除了实现无条件安全的通信外，还可以带来计算能力的飞跃，这就需要第二种能力，把一个个的单量子纠缠起来。量子计算机的能力是随着纠缠粒子数目呈指数增长的，比如有100个粒子的纠缠，每个粒子可以处于“0”和“1”的相干叠加，100个纠缠的粒子就可以同时处于2100个状态的叠加，这就相当于同时对2100个数进行操纵，计算能力就大大提升了。把一个个粒子纠缠起来需要对它们之间的相互作用进行精确的控制，同时还要保证克服环境的干扰。潘建伟团队通过一种名为“光晶格”的实验装置来成功攻克了这一技术难题，而“光晶格”捕捉单个原子的技术原理就如同把鸡蛋逐个放入蛋槽的过程，每个光晶格中只能容纳一个原子，再人为控制这些原子的相互作用，使得它们纠缠起来。虽然现在的技术水平已经发展到可以操纵数百个原子，但是想要实现数百个原子之间的量子纠缠态还有很长的路要走。潘建伟解释说，如果能够将几百个原子纠缠在一起，就可以演示量子计算机的基本功能了。

图2量子纠缠态奥地利——梦开始的地方据了解，此次“墨子号”量子通信卫星包含了国际合作任务，并且选择了奥地利作为首个国际合作伙伴。为何偏偏选择奥地利？这还要从潘建伟的求学经历说起。在中国科学技术大学学习期间，潘建伟第一次领略到量子世界的奇妙。但随着研究的深入，他越发意识到量子理论中的各种奇特现象需要更加尖端的实验技术和条件才能够得到验证，而当时国内在这方面还相对落后。于是1996年潘建伟来到奥地利因斯布鲁克大学，师从奥地利物理学家Anton Zeilinger攻读博士学位。那时Anton Zeilinger教授已经建立了量子实验室，并且是量子物理学领域的国际权威。在这里，潘建伟和同事们完成了国际上首次实现光子的量子隐形传态的实验，这被认为是量子信息实验领域的开端。此后几年内，潘建伟和同事们又先后实现了一系列量子信息领域的先驱性实验，这些宝贵的经历为以后潘建伟在量子通信领域的突破性贡献奠定了坚实的基础。潘建伟对奥地利的特殊感情还不止于此。潘建伟在奥地利求学期间，一直得到了奥地利外交部和学术交流机构的资助。博士毕业后，潘建伟又继续在维也纳大学实验物理所从事博士后研究，而维也纳大学正是薛定谔等量子力学的奠基人工作过的地方，无疑是量子力学的“圣地”之一。所以，当昔日的老师主动提出加入到我国的量子卫星计划中来的请求后，顺理成章地，奥地利就成了量子科学实验卫星项目的第一个国际合作伙伴。潘建伟提到，量子科学实验卫星会向全世界开放，在奥地利之后，德国、意大利、加拿大等国的团队也主动请求加入。

图3 “京沪干线”城域网的建设追寻量子通信发展的轨迹潘建伟曾经在接受采访时谈到，作为量子通信领域的技术强国，中国正从经典信息技术的跟随者，转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者。回顾中国量子通信领域的发展历程，成绩的取得当然离不开先辈科学家们孜孜不倦的奋斗与拼搏。潘建伟表示，我国在量子通信领域的研究起步较早，在上世纪90年代初就有如郭光灿院士、张永德教授等老一辈科学家对该领域发展的密切关注，并且中国科学技术大学已经发表了一些该领域的文章。潘建伟强调说，中国量子通信领域之所以能够发展到今天这一步，与当时中科院与时俱进的敏锐眼光密切相关。比如，在他2001年回国组建实验室时，一切都是从零开始。当时向中科院申请了200万经费，而当时的中科院基础局却拨了400万。在中科院的重视和支持下，实验室的发展速度非常快，很快就有了一批由中国人完成的量子信息领域的重要成果。在那之后，从2004年起，中科院的支持力度又进一步加大。同时，国内其他团队也发展起来了。从2005年的时候，国家的重大研究计划也开始注意到了量子调控，当时在中科院物理所的于渌院士、南京大学的闵乃本院士等建议下，量子调控成为国家重大研究计划的内容，到目前这一计划已经执行了十余年。正是由于国家的重点扶持，我国的量子通信技术才得以快速发展。近年来，中科院启动量子卫星项目，国家发改委启动“京沪干线”项目，为量子通信技术实现跨越式的发展注入了长足的动力。但同时潘建伟也表示，欧美等国家也相继启动了包括量子通信在内的量子专项计划，政府也给予了大力支持，所以我国在未来能否持续抢占量子通信领域的领跑地位，还需要不断创新不断前进。量子通信是目前为止唯一被严格证明可提供无条件安全的保密通信手段。随着我国发射全球第一颗量子实验卫星以及 “京沪干线”的建成,都将奠定中国在量子通信领域的领跑地位。目前，在量子通信领域，无论是科学研究还是实际应用，我国都已处于世界领先水平，我们也期待着，量子通信从理论到实验再到实践的完美蜕变。“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。