《電子技術(shù)應(yīng)用》
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中國量子衛(wèi)星重大突破 搶占世界最前沿

2017-06-19

  就像是一個(gè)隱喻,,來自中國的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星從太空發(fā)出兩道紅色的光,看上去像極了漢字里大寫的“人”字,,這幅景象被當(dāng)作“封面”,,刊印在6月17日的美國知名學(xué)術(shù)期刊雜志《科學(xué)》上,。這一次中國科學(xué)站到了世界面前,而且是挺直腰桿,,站在了最前沿,。

  6月16日,中國量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副校長潘建偉院士在媒體的閃光燈下宣布:中國率先實(shí)現(xiàn)了“千公里級(jí)”的星地雙向量子糾纏分發(fā),,打破了此前國際上保持多年的“百公里級(jí)”紀(jì)錄,,回答了愛因斯坦關(guān)于量子力學(xué)的“百年之問”

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  中國量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)” 

  贊譽(yù),、解讀,、報(bào)道紛至沓來——

  《科學(xué)》雜志審稿人稱該成果是“兼具潛在實(shí)際現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué)研究重要性的重大技術(shù)突破”,并斷言“毫無疑問將在學(xué)術(shù)界和廣大的社會(huì)公眾中產(chǎn)生非常巨大影響”,。

  美國波士頓大學(xué)量子技術(shù)專家謝爾吉延科評(píng)價(jià):這是一個(gè)英雄史詩般的實(shí)驗(yàn),,中國研究人員的技巧、堅(jiān)持和對(duì)科學(xué)的奉獻(xiàn)應(yīng)該得到最高的贊美與承認(rèn),。

  在中科院新聞發(fā)布當(dāng)天,,潘建偉沒有刻意掩飾自己的激動(dòng),他說:“這是我這輩子目前為止,,做過的最好的科學(xué)成果?!?/p>

  盡管對(duì)他和他的團(tuán)隊(duì)來說,,所謂領(lǐng)跑,或是創(chuàng)造世界紀(jì)錄,,早已是家常便飯——

  就在一個(gè)月前,,潘建偉團(tuán)隊(duì)研發(fā)的世界上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)問世。再往前,,2003年,,潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了四光子糾纏態(tài)——一個(gè)量子糾纏研究領(lǐng)域基礎(chǔ)性工作,此后多年,,該團(tuán)隊(duì)又先后實(shí)現(xiàn)五光子,、六光子、八光子,、十光子糾纏,,一直保持著多光子糾纏的世界紀(jì)錄,并頻頻引來學(xué)界和媒體的關(guān)注,。

  英國《自然》雜志在報(bào)道潘建偉團(tuán)隊(duì)量子通信研究成果時(shí)就提到:這標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域的崛起,,從10年前不起眼的國家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅,將領(lǐng)先于歐洲和北美,。

  如今,,以量子衛(wèi)星最新實(shí)驗(yàn)為代表的成果,讓中國再次挺進(jìn)量子研究世界版圖的中心,。屬于中國的量子時(shí)間似乎正在到來,。

  “世紀(jì)之問”:全球大國新博弈

  人類之所以愛上科學(xué),很大程度上在于它能夠探索未知,滿足我們的好奇心,。如今,,一個(gè)不難描述的未知問題擺在人類面前——

  在人類肉眼看不到的微觀世界中,事物究竟是以“概率”而存在的,,還是“確定”存在的,?舉個(gè)關(guān)于足球的例子,在宏觀世界,,我們可以確定地知道它究竟在哪個(gè)點(diǎn),,但在微觀世界,一個(gè)足球就相當(dāng)于一個(gè)粒子,,人們似乎只能判斷它出現(xiàn)在足球場某個(gè)點(diǎn)的概率,,卻無法確切地知道它究竟在哪里。

  量子力學(xué)正是微觀世界“概率論”的最大支持者,。量子論里有一種特性,,即量子糾纏,簡單來說,,兩個(gè)處于糾纏狀態(tài)的量子,,就像有“心靈感應(yīng)”,無論這些粒子之間相隔多遠(yuǎn),,只要一個(gè)粒子發(fā)生變化,,另外的粒子也會(huì)即刻“感知”,隨之發(fā)生變化,。

  不過,,愛因斯坦并不買賬,并譏諷這個(gè)現(xiàn)象為“幽靈般的超距作用”,。也因此,,他和波爾等科學(xué)巨擘為此展開激烈爭論,并留下一個(gè)“世紀(jì)年之問”:上帝擲骰子嗎,?換言之,,微觀世界都是由“概率”決定存在的嗎?

  全球相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家,,甚至是一些執(zhí)政者都為這個(gè)問題著迷,。因?yàn)椋坏┻@種特性得到最終驗(yàn)證,,就有一個(gè)最為直接的應(yīng)用,,即通過量子糾纏所建立起來的量子信道不可破譯,成為未來保密通信的“終極武器”,。

  按照潘建偉的說法,,要讓量子通信實(shí)用化,,需要實(shí)現(xiàn)量子糾纏的“遠(yuǎn)距離”分發(fā)。一代又一代學(xué)者接力走下來,,人類似乎遭遇了“瓶頸”:由于量子糾纏“太脆弱”,,會(huì)隨著光子在光纖內(nèi)或地表大氣中的傳輸距離而衰減,以往的實(shí)驗(yàn)只停留在“百公里”量級(jí)的距離,。

  潘建偉粗略地測算過,,使用光纖進(jìn)行量子分發(fā),傳輸“百公里”距離,,損耗已達(dá)99%,;傳輸“千公里”的距離,每送1個(gè)光子大約需要3萬年,,“這就完全喪失了通信的意義”,。

  于是,一場大國間的“量子通信”競賽就此出現(xiàn),,誰先沖到“千公里”的距離,,似乎就能在這場賽跑中領(lǐng)先。潘建偉說:“大家不斷地去‘拉長’這個(gè)距離,,以此來驗(yàn)證量子糾纏的原理,,步步逼近量子通信的實(shí)用目標(biāo)?!?/p>

  “彎道超車”:中國在太空領(lǐng)跑

  事實(shí)上,在量子物理學(xué)誕生的一百多年里,,有關(guān)研究始終長盛不衰,。但是,在只爭朝夕的國際科研競爭前幾十年,,一直難見到中國人的身影,。起步晚,是中國人甩不掉的標(biāo)簽,,但這并不妨礙我們“彎道超車”,。

  2003年,潘建偉團(tuán)隊(duì)開始實(shí)驗(yàn)“長距離”量子糾纏,,從13公里到100公里,,從追趕走向超越。2012年8月9日,,國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志以封面標(biāo)題形式發(fā)表了潘建偉團(tuán)隊(duì)的研究成果:他們?cè)趪H上首次成功實(shí)現(xiàn)了“百公里”量級(jí)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(jì)錄,有望成為遠(yuǎn)距離量子通信的里程碑,,而且為發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星即如今的“墨子號(hào)”奠定了技術(shù)基礎(chǔ),。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(xì)報(bào)道了這場激烈的量子太空競賽,。

  又過了4年,,潘建偉團(tuán)隊(duì)通過發(fā)射“墨子號(hào)”衛(wèi)星,將“量子糾纏”的實(shí)驗(yàn)距離拉到“1200公里”,,把科學(xué)家一直假想的實(shí)驗(yàn)變成了現(xiàn)實(shí),,也讓中國量子在太空中領(lǐng)跑全球。

  加拿大滑鐵盧大學(xué)量子技術(shù)專家延內(nèi)魏因說,,國際上確實(shí)存在量子科研競賽,。“中國團(tuán)隊(duì)已克服了好幾個(gè)重大技術(shù)與科學(xué)挑戰(zhàn),,清楚地表明了他們?cè)诹孔油ㄐ蓬I(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位,。”

  相應(yīng)地,,類似的實(shí)驗(yàn),,歐盟、加拿大,、日本都有科學(xué)家在呼吁和推進(jìn),。但或因技術(shù)積累不夠,或因資金支持不夠,,目前進(jìn)展緩慢,。

  以美國為例,2015年美國航空航天局宣布一項(xiàng)計(jì)劃:在其總部與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之間建立一個(gè)直線距離600千米,、光纖皮長1000千米左右,、10個(gè)中轉(zhuǎn)基站的遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線,并計(jì)劃拓展到星地量子通信,。不過,,目前該計(jì)劃尚未有實(shí)際進(jìn)展的最新消息。

  2015年年末,,英國政府發(fā)布的《量子時(shí)代的技術(shù)機(jī)遇》報(bào)告顯示,,中國在量子科技的論文發(fā)表上排在全球第一、專利應(yīng)用排名第二,。在“第二次量子革命”的起步階段,,中國異軍突起進(jìn)入“領(lǐng)跑陣營”。

  如今,,在最新量子太空競賽中,,中國“墨子號(hào)”再次獨(dú)占鰲頭,第一個(gè)沖過“千公里”量級(jí)的跑線,。參與這次實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)地面站分別是青海德令哈站和云南麗江高美古站,,兩站距離1203公里,。有評(píng)論稱,發(fā)射后僅僅數(shù)月,,世界上首顆量子通信衛(wèi)星就已經(jīng)達(dá)到了它最具雄心的目標(biāo)之一,,量子通信向?qū)嵱眠~出一大步。

  異軍突起:體制機(jī)制做后盾

  潘建偉不止一次地被問到:中國這一次為何得以領(lǐng)先歐美國家,?

  而他的回答,,往往是“集中力量辦大事”,有賴于中國“大科學(xué)”項(xiàng)目建設(shè)的高效性,。

  潘建偉說,,這項(xiàng)成果是由一個(gè)“大團(tuán)隊(duì)”做出的。在中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下,,他和他的同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì),,聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院,、光電技術(shù)研究所,、國家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái),、國家空間科學(xué)中心等單位合作完成,。

  如此列舉,并非只是在“功勞簿”上寫上一筆,。

  潘建偉說,,一切進(jìn)展順利時(shí),大家也許意識(shí)不到,,但一旦遇到磕磕碰碰,,就能深切地意識(shí)到“某些環(huán)節(jié)或某個(gè)機(jī)構(gòu)的不可或缺性”。他的一些歐洲,、美國、加拿大同行,,也曾有過類似的科學(xué)設(shè)想,,但沒有類似團(tuán)隊(duì)的全力支持,只能作罷,。

  比如,,量子信息實(shí)驗(yàn)研究的先驅(qū)者、著名物理學(xué)家Anton Zeilinger 研究組以及歐洲眾多的優(yōu)秀研究團(tuán)隊(duì)一直在與歐洲空間局商討建立以國際空間站為平臺(tái)的星地量子通信計(jì)劃,。然而,,歐空局緩慢的決策機(jī)制使得這一計(jì)劃一再拖延。

  而在我國,,早在2003年,,潘建偉就向中科院提出利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的方案,。在當(dāng)時(shí)的中科院內(nèi)部,這個(gè)“聞所未聞的想法”并非沒有收到質(zhì)疑的聲音,,甚至有人說,,“潘建偉瘋了”!

  不過,,中科院最終咬牙批給了潘建偉團(tuán)隊(duì)100多萬元——這在14年前可是一筆“相當(dāng)大”的科研經(jīng)費(fèi),。

  那時(shí),有一個(gè)叫彭承志的,,還是一頭黑發(fā)的年輕小伙,,如今卻已是頭發(fā)花白的量子衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的教授,,也是這次“千公里”量級(jí)重要成果的主要完成人之一,。

  據(jù)他回憶,2003年,,潘建偉找到還是博士生的他,,向他描述量子通信的前景。他問潘建偉:“這個(gè)事,,是不是挺牛的,?”

  潘建偉說:“是世界上最牛的,至少是之一”,。

  “作為一個(gè)年輕人能夠做這樣一件事情,,我沒有理由拒絕?!迸沓兄菊f,。

  按照潘建偉的說法,他從中國科大的研究起步,,把人才布局輻射奧地利因斯布魯克,、英國劍橋、德國馬普量子光學(xué)所……2008年,,他帶領(lǐng)在德國的團(tuán)隊(duì)整體回歸中國科大,,分布在世界各地的年輕學(xué)者也陸續(xù)回國,一支由他領(lǐng)銜,、以陳宇翱,、陸朝陽、張強(qiáng),、趙博等為代表的世界級(jí)研究團(tuán)隊(duì)“橫空出世”,。

  如今,14年過去,,“千公里”量級(jí)的關(guān)卡闖了過去,,這支團(tuán)隊(duì)正朝著“30萬公里”的終極距離去努力,,繼續(xù)檢驗(yàn)量子力學(xué)。未來,,還有可能和探月工程結(jié)合,,到月球上做實(shí)驗(yàn)。

  不過,,潘建偉這位年僅47的院士仍有著“嚴(yán)重的危機(jī)感”,。他說,沒做成的時(shí)候有很多懷疑,,現(xiàn)在花了這么多時(shí)間做成了,,國際上都紛紛表示要“盡可能趕上”。

  正如一位美國同行所說,,雖然第一艘宇航飛船和第一個(gè)人造衛(wèi)星都是蘇聯(lián)做出來的,,但登月,美國卻是第一個(gè),。他們覺得只要努力,,就可以在量子領(lǐng)域趕超中國。

  “所以,,我們不敢懈怠,。”潘建偉說,。


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