[科普中國(guó)]-獨(dú)家訪(fǎng)問(wèn)|這個(gè)“墨子”不簡(jiǎn)單

千百年來(lái)，人類(lèi)一直渴望實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的通信，而量子通信技術(shù)就能夠非常完美的實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想。過(guò)去的十年里，“互聯(lián)網(wǎng)+”改變了我們的生活，而現(xiàn)在“量子+”正在改變互聯(lián)網(wǎng)。
作為世界頂尖的前沿科學(xué)技術(shù)，潘建偉院士和他的團(tuán)隊(duì)在量子通信的研究道路上遭遇過(guò)怎樣不為人知的挫折？在歐美眾多實(shí)力強(qiáng)勁的國(guó)家中，潘建偉團(tuán)隊(duì)為何選擇奧地利作為量子通信項(xiàng)目的合作伙伴？作為量子通信領(lǐng)域的技術(shù)強(qiáng)國(guó)，中國(guó)正從經(jīng)典信息技術(shù)的跟隨者，轉(zhuǎn)變成未來(lái)信息技術(shù)的并跑者乃至領(lǐng)跑者，而在此過(guò)程中我國(guó)量子通信技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中又有著怎樣里程碑式的事件？
更多關(guān)于量子衛(wèi)星的最新獨(dú)家報(bào)道，我們邀請(qǐng)到了中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉進(jìn)行了專(zhuān)題訪(fǎng)問(wèn)。

圖1 中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉

尖端科技背后的故事
量子通信是基于量子力學(xué)基本原理的前沿技術(shù)。近年來(lái)，以潘建偉團(tuán)隊(duì)為代表的中國(guó)科學(xué)家在量子通信領(lǐng)域取得了舉世矚目的重要科研成果，在尖端科技發(fā)展的過(guò)程中，我國(guó)科學(xué)家都經(jīng)歷了哪些不為人知的挫折和磨難？尖端科技的背后又隱藏著怎樣的技術(shù)難題？
潘建偉介紹說(shuō)，在量子通信技術(shù)的研發(fā)過(guò)程中，單個(gè)光量子的制備和探測(cè)是主要的兩個(gè)技術(shù)難題。首先，制備單個(gè)光量子的技術(shù)難題。潘建偉舉了一個(gè)非常形象化的例子來(lái)解釋這一關(guān)鍵技術(shù)的難度：一個(gè)普通的十五瓦左右的燈泡每秒鐘輻射出的光量子個(gè)數(shù)可以達(dá)到百億億個(gè)，想要實(shí)現(xiàn)單個(gè)光量子的制備就如同在這百億億個(gè)光量子發(fā)射出來(lái)的瞬間捕捉到其中的某一個(gè)，技術(shù)難度可想而知。另一個(gè)難題是單光子的探測(cè)。單個(gè)光子已經(jīng)是光能量的最小單元，能量是非常微弱的，需要發(fā)展出非常精密和高效的單光子探測(cè)技術(shù)。具備了單個(gè)光量子的制備和探測(cè)的能力后，我們就可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)安全的量子通信了。
量子信息的應(yīng)用除了實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全的通信外，還可以帶來(lái)計(jì)算能力的飛躍，這就需要第二種能力，把一個(gè)個(gè)的單量子糾纏起來(lái)。量子計(jì)算機(jī)的能力是隨著糾纏粒子數(shù)目呈指數(shù)增長(zhǎng)的，比如有100個(gè)粒子的糾纏，每個(gè)粒子可以處于“0”和“1”的相干疊加，100個(gè)糾纏的粒子就可以同時(shí)處于2100個(gè)狀態(tài)的疊加，這就相當(dāng)于同時(shí)對(duì)2100個(gè)數(shù)進(jìn)行操縱，計(jì)算能力就大大提升了。把一個(gè)個(gè)粒子糾纏起來(lái)需要對(duì)它們之間的相互作用進(jìn)行精確的控制，同時(shí)還要保證克服環(huán)境的干擾。潘建偉團(tuán)隊(duì)通過(guò)一種名為“光晶格”的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)成功攻克了這一技術(shù)難題，而“光晶格”捕捉單個(gè)原子的技術(shù)原理就如同把雞蛋逐個(gè)放入蛋槽的過(guò)程，每個(gè)光晶格中只能容納一個(gè)原子，再人為控制這些原子的相互作用，使得它們糾纏起來(lái)。雖然現(xiàn)在的技術(shù)水平已經(jīng)發(fā)展到可以操縱數(shù)百個(gè)原子，但是想要實(shí)現(xiàn)數(shù)百個(gè)原子之間的量子糾纏態(tài)還有很長(zhǎng)的路要走。潘建偉解釋說(shuō)，如果能夠?qū)装賯€(gè)原子糾纏在一起，就可以演示量子計(jì)算機(jī)的基本功能了。

圖2 量子糾纏態(tài)

奧地利——夢(mèng)開(kāi)始的地方
據(jù)了解，此次“墨子號(hào)”量子通信衛(wèi)星包含了國(guó)際合作任務(wù)，并且選擇了奧地利作為首個(gè)國(guó)際合作伙伴。
為何偏偏選擇奧地利？這還要從潘建偉的求學(xué)經(jīng)歷說(shuō)起。
在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)習(xí)期間，潘建偉第一次領(lǐng)略到量子世界的奇妙。但隨著研究的深入，他越發(fā)意識(shí)到量子理論中的各種奇特現(xiàn)象需要更加尖端的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和條件才能夠得到驗(yàn)證，而當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)在這方面還相對(duì)落后。于是1996年潘建偉來(lái)到奧地利因斯布魯克大學(xué)，師從奧地利物理學(xué)家Anton Zeilinger攻讀博士學(xué)位。那時(shí)Anton Zeilinger教授已經(jīng)建立了量子實(shí)驗(yàn)室，并且是量子物理學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際權(quán)威。在這里，潘建偉和同事們完成了國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)光子的量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)，這被認(rèn)為是量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開(kāi)端。此后幾年內(nèi)，潘建偉和同事們又先后實(shí)現(xiàn)了一系列量子信息領(lǐng)域的先驅(qū)性實(shí)驗(yàn)，這些寶貴的經(jīng)歷為以后潘建偉在量子通信領(lǐng)域的突破性貢獻(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。潘建偉對(duì)奧地利的特殊感情還不止于此。潘建偉在奧地利求學(xué)期間，一直得到了奧地利外交部和學(xué)術(shù)交流機(jī)構(gòu)的資助。博士畢業(yè)后，潘建偉又繼續(xù)在維也納大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理所從事博士后研究，而維也納大學(xué)正是薛定諤等量子力學(xué)的奠基人工作過(guò)的地方，無(wú)疑是量子力學(xué)的“圣地”之一。
所以，當(dāng)昔日的老師主動(dòng)提出加入到我國(guó)的量子衛(wèi)星計(jì)劃中來(lái)的請(qǐng)求后，順理成章地，奧地利就成了量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目的第一個(gè)國(guó)際合作伙伴。潘建偉提到，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星會(huì)向全世界開(kāi)放，在奧地利之后，德國(guó)、意大利、加拿大等國(guó)的團(tuán)隊(duì)也主動(dòng)請(qǐng)求加入。

圖3 “京滬干線(xiàn)”城域網(wǎng)的建設(shè)

追尋量子通信發(fā)展的軌跡
潘建偉曾經(jīng)在接受采訪(fǎng)時(shí)談到，作為量子通信領(lǐng)域的技術(shù)強(qiáng)國(guó)，中國(guó)正從經(jīng)典信息技術(shù)的跟隨者，轉(zhuǎn)變成未來(lái)信息技術(shù)的并跑者乃至領(lǐng)跑者。回顧中國(guó)量子通信領(lǐng)域的發(fā)展歷程，成績(jī)的取得當(dāng)然離不開(kāi)先輩科學(xué)家們孜孜不倦的奮斗與拼搏。
潘建偉表示，我國(guó)在量子通信領(lǐng)域的研究起步較早，在上世紀(jì)90年代初就有如郭光燦院士、張永德教授等老一輩科學(xué)家對(duì)該領(lǐng)域發(fā)展的密切關(guān)注，并且中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)已經(jīng)發(fā)表了一些該領(lǐng)域的文章。
潘建偉強(qiáng)調(diào)說(shuō)，中國(guó)量子通信領(lǐng)域之所以能夠發(fā)展到今天這一步，與當(dāng)時(shí)中科院與時(shí)俱進(jìn)的敏銳眼光密切相關(guān)。比如，在他2001年回國(guó)組建實(shí)驗(yàn)室時(shí)，一切都是從零開(kāi)始。當(dāng)時(shí)向中科院申請(qǐng)了200萬(wàn)經(jīng)費(fèi)，而當(dāng)時(shí)的中科院基礎(chǔ)局卻撥了400萬(wàn)。在中科院的重視和支持下，實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展速度非常快，很快就有了一批由中國(guó)人完成的量子信息領(lǐng)域的重要成果。在那之后，從2004年起，中科院的支持力度又進(jìn)一步加大。
同時(shí)，國(guó)內(nèi)其他團(tuán)隊(duì)也發(fā)展起來(lái)了。從2005年的時(shí)候，國(guó)家的重大研究計(jì)劃也開(kāi)始注意到了量子調(diào)控，當(dāng)時(shí)在中科院物理所的于淥院士、南京大學(xué)的閔乃本院士等建議下，量子調(diào)控成為國(guó)家重大研究計(jì)劃的內(nèi)容，到目前這一計(jì)劃已經(jīng)執(zhí)行了十余年。正是由于國(guó)家的重點(diǎn)扶持，我國(guó)的量子通信技術(shù)才得以快速發(fā)展。
近年來(lái)，中科院?jiǎn)?dòng)量子衛(wèi)星項(xiàng)目，國(guó)家發(fā)改委啟動(dòng)“京滬干線(xiàn)”項(xiàng)目，為量子通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式的發(fā)展注入了長(zhǎng)足的動(dòng)力。但同時(shí)潘建偉也表示，歐美等國(guó)家也相繼啟動(dòng)了包括量子通信在內(nèi)的量子專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃，政府也給予了大力支持，所以我國(guó)在未來(lái)能否持續(xù)搶占量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)跑地位，還需要不斷創(chuàng)新不斷前進(jìn)。
量子通信是目前為止唯一被嚴(yán)格證明可提供無(wú)條件安全的保密通信手段。隨著我國(guó)發(fā)射全球第一顆量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星以及“京滬干線(xiàn)”的建成,都將奠定中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)跑地位。目前，在量子通信領(lǐng)域，無(wú)論是科學(xué)研究還是實(shí)際應(yīng)用，我國(guó)都已處于世界領(lǐng)先水平，我們也期待著，量子通信從理論到實(shí)驗(yàn)再到實(shí)踐的完美蛻變。