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“量子密钥分发已经成功实现商业化，在光纤中已经能做到几百公里，用卫星可以做到上千公里。”这两项纪录都是由中国科学家创造的，也是中国量子通信领先世界的标志。 “对于整个量子技术领域，我们仍处于早期阶段” 
潘建伟：“墨子号”的另一个任务是执行卫星到地面的两字密钥分配。在“墨子号”的帮助下，我们可以在两个地面站之间建立密钥，然后生成一个共享密钥，使用共享密钥来加密你的消息、图片和视频，通过经典通信的通道发送到遥远的位置。你的朋友可以使用共享和密钥来解密你发送的消息，他是唯一可以读出该秘密消息的人。 量子态可以叠加。如果对未知量子态进行测量，将不可避免地影响量子粒子的状态。如果你去窃听，窃听就是一种测量。我们的方法是通过量子通道发送许多单光子，最后将发布共享密钥的子集来比较错误率。如果错误率超出某个阈值，你就会知道已经有人在窃听你的密钥。对于密钥分发，我们还有另一种分发方法，即利用量子纠缠奇怪又完美的相关性。 单个光子可以承载密钥信息，但是密钥信息不包含有关你要传递的消息，只有在确定密钥是安全的之后才可以使用此密钥进行加密。因此，如果有人拿走你的密钥，那没关系，因为你并没有使用此密钥来加密你的邮件。你首先要生成一个密钥，然后你加密、发送消息，这是一个两步过程。
潘建伟：未来10年左右，我们希望通过卫星和光纤网络来建立一个全球化的量子通信基础设施，来确保安全的信息传输。城市范围是在光纤量子通信可达到的距离之内。如果城市间距离太远，我们将通过卫星提供帮助，将两个城市连接起来。我们在一个城市中有一个地面中心，在另一个城市中有另一个地面中心，对于长距离量子密钥分发，我们使用卫星，但是对于本地密钥分发，我们使用光纤网络。这可能是未来量子通信基础设施的理想解决方案。
潘建伟：现在强调竞争还为时过早，因为从某种意义上说，尽管量子通信和量子精密测量很快就会有一些有用的结果，但对于整个量子技术领域，我们仍处于早期阶段。 在量子计算领域我们不是最好的，我们起步很晚，尽管现在进展很快，但仍然落后于美国和欧洲同行几年，因此我们必须继续努力。
潘建伟：世界上的“量子之父”应该是普朗克、爱因斯坦和玻尔他们，我们最多只能算是“量子之孙”或者“曾孙”。从爱因斯坦、普朗克到当代量子物理学家，中间隔着一代又一代的许多研究者。  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学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，从奥地利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。 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。” 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。 在“墨子号”三大预定科学实验任务完成之后，2017年9月29日，世界首条千公里级量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通。 利用量子“京沪干线”与“墨子号”量子卫星的天地链路，2018年初，通过与奥地利科学院的国际合作，我国在北京和维也纳之间成功实现了相距约7600公里的人类历史上第一次洲际量子保密通信。 2018年，量子密码的两位提出者获得了素有诺贝尔奖风向标之称的“沃尔夫物理学奖”。获奖者介绍中专门提到：“量子密钥分发已经成功实现商业化，在光纤中已经能做到几百公里，用卫星可以做到上千公里。”这两项纪录都是由中国科学家创造的，也是中国量子通信领先世界的标志。 量子通信产业化，中国已走在世界前列 中国在量子通信这场国际化竞争中属于后来者，但如今在应用领域的多个方面已经达到世界先进水平，特别在城域网量子通信关键技术方面，甚至达到了产业化要求。 2013年，我国启动量子保密通信“京沪干线”工程建设。几乎同时，世界主要的发达国家也在加紧实施远距离量子通信干线工程。意大利量子通信骨干网用户囊括了意大利国家计量研究院、欧洲非线性光谱实验室等多家研究机构和公司；英国正在建设英国国家量子通信测试网络；俄罗斯量子中心建成了专用于传递真实金融数据的实用量子通信线路；韩国第一阶段环首尔地区的量子保密通信网络，除了为公共行政事务、警察和邮政等领域服务外，正在向国防和金融领域拓展⋯⋯ “‘京沪干线’将带动整个产业链的发展，特别是在核心元器件国产化和相关标准制定方面。”潘建伟说，当前率先实用化的量子保密通信技术正在蓬勃发展，取得了长足的进步，但希望把相关成果推向实用化。 据了解，“京沪干线”是一条连接北京、上海，贯穿济南和合肥的量子通信骨干网络，全长2000余公里，可满足上万名用户的密钥分发业务需求。通过这条线路，交通银行、工商银行、阿里巴巴集团也实现了京沪异地数据的量子加密传输等应用。 目前，除了按计划接入的金融用户外，电力系统、大数据互联网企业也正在接入，央行已经在制定金融领域接入使用的相关标准。除了在金融领域的初步应用外，作为一个技术验证和应用示范工程，“京沪干线”更为重要的工作是在有关部门的指导下，开展攻防测试和量子通信标准制定。 “未来20年内，基于全球化的广域量子通信网络，量子通信技术有望在世界范围内广泛应用。”潘建伟说。 本文刊发于《中国报道》2019年12月刊 撰文：《中国报道》记者 张利娟 采访：解读中国工作室 责编：蕾西亚 |
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