量子通信实现“中国领跑”

张利娟

量子通信技术被誉为影响人类未来的重大技术之一，成为国际竞争的新热点。经过20多年的科研攻关，我国在量子通信领域取得了一系列世界领先的创新成果。从“墨子号”量子卫星成功发射，到量子“京沪干线”正式开通，再到在国际上首次实现的多维度量子隐形传态……虽然在全球量子通信赛道中，中国起步并非最早，但如今已经实现了“弯道超车”。

量子“梦之队”诞生

追溯量子通信的起源，需要从爱因斯坦的“幽灵”——量子纠缠的实证说起。

由于人们对纠缠态粒子之间的相互影响一直有所怀疑，几十年来，物理学家一直试图验证这种神奇特性是否真实。1982年，法国物理学家艾伦·爱斯派克特（Alain Aspect）和他的小组成功地完成了一项实验，证实了微观粒子“量子纠缠”的现象确实存在。此后大量的实验也都证实了爱因斯坦的幽灵——量子力学非定域性的存在。

在验证“爱因斯坦的幽灵”的过程中，人们发展出了对量子系统进行精确调控的技术，从而使得利用量子力學进行全新的信息处理成为可能。在量子力学理论的基础上，1993年，美国科学家本奈特（C. H. Bennett）和加拿大科学家布拉萨德（G. Brassard）提出了第一个量子密钥分发（量子密码）的协议。随后，来自不同国家的6位科学家，提出了基于量子纠缠理论，可以将一个粒子的未知量子态传送到遥远地点而不需要传递这个粒子本身，即量子态隐形传送的方案，这就是量子通信的基本应用。

1997年在奥地利蔡林格（A. Zeilinger）教授研究组留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。

然而，此时的潘建伟还有一个更为长远的想法：在中国建立一个世界一流的量子实验室，将量子为祖国所用。2001年，在中国科学院的支持下，从奥利地学成回国的潘建伟开始在中国科学技术大学组建量子物理与量子信息实验室。

初创期间，困难重重。因为进行量子实验，不仅需要光学知识，还要懂电子学、材料学、测探技术等。量子光学实验是潘建伟的强项，但电子学却是短板。他便把自己的同学杨涛拉入团队，组织国内团队的实验，自己则在维也纳继续吸收光量子调控技术。

2003年，实验室对光量子信息的实验技术已经比较完善。但除了光的传输、操纵之外，信息的存储非常重要，需要将光子所携带的信息存储到接近绝对零度的冷原子介质里面。冷原子的技术成了下一个难关。于是，潘建伟便去德国海德堡寻求合作。

“2003年7月，我移居德国海德堡，与前同事约尔格·施密德迈耶合作，在德国建立了自己的实验室。”潘建伟告诉《中国报道》记者，“在国家相关部门和海德堡大学的支持下，我继续在国内开展多光子纠缠实验研究，在海德堡，我进行冷原子量子存储实验研究。”

“我当时跟我国内的学生讲，可以跟我去海德堡。但有一个条件，就是将来要回国和我一起做一点有意义的事情。”就这样，潘建伟与学生达成了“心灵的约定”。

2008年，潘建伟把在德国的实验室搬回中国科技大学，出国的学生也陆续归来。回国后的团队，已经非常“全能”，在国际上占有一席之地的量子“梦之队”也自此造就。

9月20日，中国科学院发布消息说，中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其同事彭承志、范靖云等与美国加州理工学院、澳大利亚昆士兰大学等单位科研工作人员合作，利用中国“墨子号”量子科学实验卫星对一类预言引力场导致量子退相干的理论模型进行了实验检验。

弯道超车，完成量子通信的大跃步

2016年8月16日凌晨，中国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，完成了中国量子通信研究的一大飞跃，开启了全球化量子通信时代之门。

“那种感觉和你的孩子马上要出生一样，在发射之前充满了期待，因为‘我的孩子来了。但在出生那天，你又会感到很紧张，因为有太多不确定因素。”问及卫星发射前的心情，潘建伟回忆道，“在启动后的最初30秒内紧张到胃疼，直到发射30秒钟后，才逐渐放松。”

星地量子密钥分发的实现，为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。星地量子纠缠分发和地星量子隐形传态的实现，使人们可以利用量子纠缠所建立起的量子信道，构建起大尺度量子信息处理网络的基本单元。

“‘墨子号作为一颗科学实验卫星，在国际上率先实现了千公里级星地双向量子纠缠分发、星地高速量子密钥分发和地星量子隐形传态等三大科学目标，使我国在量子通信领域跻身国际领先地位。”潘建伟自豪地说。

对此，国际权威学术期刊《自然》评价称，“国际同行们正在努力追赶中国，中国现在显然是卫星量子通信的世界领导者。”

2007年2月5日，中国科学技术大学教授潘建伟（中）在实验室与同事讨论实验。

谈到未来打算，潘建伟表示，希望把相关成果推向实用化。由于 “墨子号”是低轨卫星，过境时间短，未来将研制一颗过境时间更长的中高轨卫星，确保在更长时间里产生密钥，满足业务化运行的信息安全传输需要。目前“墨子号”只能在晚上工作，单颗卫星的效率还比较低，未来还希望突破日光背景下的量子通信技术，在此基础上发射多个卫星组成一个“量子星座”，从而真正实现全球化的量子通信。