真正的黑科技——量子通信

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junzihaose2012

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樓主

發表於 2020-2-4 00:19:59

2008年，中国科学技术大学教授潘建伟与同事一起，利用先进的冷原子量子存储技术，在世界上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，建立了由300米光纤连接的两个冷原子系统之间的量子纠缠。这种量子纠缠可以被读出并转化为光子纠缠，以进一步传输和操作，从而实现了首个“量子中继器”。欧洲物理学会在这一年度的国际物理学十大成就介绍中，将该成果评价为：“借助它，量子通信可以达到任意遥远的距离。”《自然》杂志则称该成果“扫除了量子通信中的一大绊脚石”。
2009年，已经回到中国科大全时工作的潘建伟，带领他的团队再次取得重大突破，在合肥建成了世界上第一个可自由扩充的多节点光量子电话网，这是国际上第一个可升级的全通型量子通信网络和首个城际量子通信网络。这项突破，预示着绝对安全的量子通信会在不久的将来由实验室研究走进人们的日常生活。
“由于在星地量子密钥分发方面的国际竞争异常激烈，中科院不囿常规，果断地为我们同时启动了两个知识创新工程重大项目，使得我们有可能在国际上率先实现空地量子通信，在最终实现全球化量子通信方面占据领先地位。这种果断和及时的支持，彰显了国家对支持战略性前沿基础科学研究的敏锐判断力和决策力。”2009年11月1日，潘建伟作为优秀青年科学家的代表，在中科院建院60周年纪念大会上发言。
潘建伟神采奕奕。他在大会上披露：“令我们略感自豪的是，目前，我们是国际上首次把绝对安全量子通信距离突破到超过百公里的3个团队之一，是国际上报道绝对安全的实用化量子通信网络实验研究的两个团队之一，是国际上在实用化量子通信方面开展全面、系统性实验研究的两个团队之一，也是国内唯一领衔开展星地量子通信实验研究的科研团队。”
回顾自己领导的实验室的成长历程，潘建伟不由地感言：“我们正处在一个不断实现和超越梦想的光荣时代。”
由潘建伟领导团队开展的科研工作，正是在与量子的不断“纠缠”中，展示着梦想一般的神奇力量。
与量子一生一世的“纠缠”
正如中国科大前任校长朱清时院士所言：“潘建伟的基础研究工作，对于一般人来说是难以理解的，不然我们会感到更强的震撼力。”
在科幻小说《星际旅行》的故事中，星球战士从某一地点突然消失，而瞬间地出现在遥远的另一地点。那么，现实生活中是否真的存在这样的过程呢？实际上是存在的，这就是量子隐形传态。在这个过程中，一个物体的状态可以在某地突然消失，而以极快的速度在遥远的某地重现出来。1993年，来自4个国家的6位科学家将这一神奇的现象在理论上揭示出来。在这个科学方案中，量子纠缠起着至关重要的作用。
处于量子纠缠的两个粒子，无论分离多远，它们之间都存在一种神秘的关联，这种神秘的关联无论如何都无法用经典观念去理解，被爱因斯坦称为“遥远地点间诡异的互动”。量子信息科学家发现，量子纠缠除了神秘之外，还是一种可资利用的超经典力量，它可以成为具有超级计算能力的量子计算机和“万无一失”的量子保密系统的基础。
“随着现代量子物理研究的不断进展，科学家已能够成功操纵光子和原子，目前正在对更大的物体并在更远的距离上进行隐形传输研究。假以时日，或许未来能够传输人类本身，《星际旅行》中的科学幻想或许能变成现实。”潘建伟说，“但我们在实现‘星际旅行’前，一切的科学研究都首先需要脚踏实地。”
在过去的10年间，潘建伟同国内及德国、奥地利专家合作，脚踏实地地与量子发生着“纠缠”。正是在与量子的纠缠不休中，潘建伟不断展示出量子基础科学成果对人类现实生活的神奇作用。
1997年12月，潘建伟与奥地利科学家赛林格和荷兰学者波密斯特等合作，首次实现了量子态的隐形传送，成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。该成果被誉为“量子信息实验领域的突破性进展”，被公认为量子信息实验领域的开山之作，欧洲物理学会将其评为世界物理学的年度十大进展，美国《科学》杂志将其列为年度全球十大科技进展。1999年该工作同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起，被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。那一年，潘建伟29岁。
在接下来的10年中，潘建伟对量子隐形传态的这一神奇现象开展了更加深入的研究：2003年，首次实现了自由传播光子的隐形传态，使得量子隐形传态能应用在更加广泛的量子通信和量子计算中；2004年，在首次实现五光子纠缠的基础上，实现了一种更新颖的量子隐形传态，即终端开放的量子隐形传态，为奠定分布式量子信息处理的基础作出了贡献；2006年，首次实现了两光子复合系统量子隐形传态；2008年，首次实现了光子比特与原子比特间的量子隐形传态。
取得这一连串骄人成绩的潘建伟今年39岁，他的个头并不高，笑谈中无不透着科学家特有的质朴。
2003年，由于在量子态隐形传输以及量子纠缠态纯化实验实现上的重要贡献，潘建伟被奥地利科学院授予Erich Schmid奖，此奖为奥地利科学院授予40岁以下的青年物理学家的最高奖，每两年评出一人获奖。
站在量子计算的世界地图上
从2001年开始，潘建伟就开始了在国内建设世界级研究中心的步伐，“我在奥地利攻读博士学位时，正是量子信息这门新兴科学开始蓬勃发展的年月。我很快了解到，这门科学可以带来极大的应用价值并具有重大科学意义，势必会推动整个信息产业的技术革命。因此，我很快将目光投向了国内，迫不及待地希望祖国能很快跟上这个新兴领域的发展步伐，在信息技术领域抓住这次赶超发达国家并掌握主动权的机会。”
2001年，潘建伟入选“中科院引进国外杰出人才”，并获得了中科院知识创新工程重要方向性项目的支持，在中国科大组建了量子物理与量子信息实验室。
这个实验室以一批年轻教师和学生为班底，朝气蓬勃。虽然研究工作几乎是从零开始，但因为在组建之初就得到了中科院和中国科大的大力支持，在以后的几年里又陆续得到了国家自然科学基金委和科技部等主管部门的大力支持。
2004年，实验室进入中国科大合肥微尺度物质科学国家实验室，成为量子物理与量子信息研究部，不但科研环境得到了很大改善，一批优秀的年轻人才也在这里经过锻炼和培养后迅速脱颖而出。实验室组建至今，已经在国际权威学术期刊《自然》、《自然—物理》、《物理评论快报》发表论文共计40多篇。正如英国著名的科学新闻杂志《新科学家》以封面标题的形式，对实验室进行专题报道所说的那样：“中国科大——因而也是整个中国——已经牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地。”
“2009年初，我把在海德堡大学的实验室整体搬回了国内，还以中科院‘百人计划’等方式，将一批优秀的青年学术骨干引进来，使中国科大的研究力量更加壮大了。”潘建伟高兴地说。
一个划时代意义的秘密通话
“长江、长江，我是黄河。”“黄河、黄河，我是长江。”这样的保密通话，并不是谍报战中高潮起伏的紧张一幕，而是2009年8月初，中国科大在合肥市5个不同地点之间的秘密通话。除了通话者本身，世界上没有其他人知道他们在电话里说了什么。
这个秘密电话无疑是划时代的。电话接通的一刹那，中国科学家让“量子通信”揭开了神秘面纱，第一次真正展现出它的实用价值。
借助现有的商业光纤网络，潘建伟带领团队组建的可自由扩充的光量子电话网，用户间距达20公里，实现了“电话一拨即通、语音实时加密、安全牢不可破”的实时网络通话。
光量子电话网的核心部件，是他们独立研发的量子程控交换机和量子通信终端。潘建伟告诉《科学时报》记者，这种不怕窃听的量子通信采用的是“一次一密”的加密方式，即便是目前最先进的技术手段也无法监听。为确保绝对安全，两人通话期间，密码机每时每刻都在产生密码，牢牢“锁”住语音信息；而一旦通话结束，这串密码就会立即失效，下一次通话绝不会重复使用。
“光量子电话网”的横空问世，是实用化量子通信领域取得的又一国际领先的研究成果。
2009年4月，由潘建伟领导取得的这项突破性成果，发表在光学领域著名国际期刊《光学快递》上，立即被美国《科学》杂志以《量子电话》为题进行了报道，正如其评论中所述：“有了这样的演示，量子隐私走进千家万户不会是很遥远的未来。”
“你团队后面是整个中国”
潘建伟对记者披露，他们下一步的宏伟目标是通过卫星真正实现全球化量子通信。“首先要解决的是卫星的高速飞行问题，地面上也需要准确地接受信号，这就要有一个强大的联合团队，才能保障目标的早日实现。”
“好在我们已经组建了联合实验室，联合中科院成都光电所、微系统所、技术物理所等相关研究所，利用这些战略高技术的储备能够解决问题。这些战略高技术在国内都有长期的积累，现在终于能够用于基础科学前沿了。”潘建伟喜不自禁地介绍。
空间大尺度的量子试验，是中国科大和中科院上海分院等单位共同联合、全力推进的项目，已经形成了一个很好的合作团队，现在团队每星期开一次协调会议。
“未来20年内量子通信会大规模运用，现在欧盟、美国、日本都非常重视这一前沿科学领域。在原创性研究领域，哪怕做到第二都是失败！我们输不起，中国也不能输。”潘建伟对记者强调。
2009年春天，在中科院副院长江绵恒的办公室里，江绵恒对潘建伟说：“你是首席科学家，你应该记住，站在你团队后面的是整个中国；支持你团队的也是整个中国。”
这的确是潘建伟奋斗不止的动力源泉。