量子通信霸氣側(cè)漏——“領(lǐng)跑”世界

對于量子通信而言，今年將是具有里程碑意義的一年。世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星今年7月發(fā)射，量子保密通信“京滬干線”下半年全線開通。中國用了不到10年時間，由一個不起眼的國家發(fā)展成為世界勁旅——

據(jù)報道，桂運(yùn)安“我國研制的世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，將于今年7月發(fā)射;量子保密通信‘京滬干線’，也將在今年下半年全線開通。 ”在剛剛結(jié)束的全國“兩會”上，全國政協(xié)委員、中科院院士、中科大教授潘建偉表示。 3月17日，我國“十三五”規(guī)劃綱要正式發(fā)布，“量子通信與量子計算機(jī)”被列入國家科技創(chuàng)新2030重大科技項目，未來5年，我國將著力構(gòu)建量子通信網(wǎng)絡(luò)。

超長距離的“心靈感應(yīng)”

在全國“兩會”上，量子通信成為社會關(guān)注的熱點。從美國臉書創(chuàng)始人扎克伯格給未滿月的女兒看量子力學(xué)的繪本，到今年中國將發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，量子通信的正式投入應(yīng)用，讓誕生100多年的量子力學(xué)逐步從高深理論深入到日常生活。作為與相對論并列的現(xiàn)代物理學(xué)基石，量子論是20世紀(jì)最偉大的理論之一，但其神奇之處也讓很多人“難以理解”。 “量子世界像骰子一樣難以預(yù)測，迄今還沒有誰敢說了解它，任何科學(xué)探險都不如量子之旅驚險和神奇。 ”中科院自然科學(xué)史研究所研究員董光璧曾這樣說。

在好萊塢電影《蟻人》中，主角斯科特為了拯救世界，把自己無限縮小，最后進(jìn)入的就是“量子世界”。量子是指微觀世界里不可分割的基本個體，比如日常生活中的光，就是由大量光量子組成。量子有很多奇妙的特性，比如在量子通信中起著重要作用的“量子糾纏”，曾被愛因斯坦等科學(xué)家稱作 “幽靈般的超距離作用”。美國科學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎獲得者弗蘭克·維爾切克曾用 《格林童話》中《兩兄弟》故事打比方：“量子糾纏”就像一對有“心靈感應(yīng)”的雙胞胎，長得分不清彼此;他們也心靈相通，即便天各一方，弟弟有難，哥哥即刻得知。

《西游記》中，孫悟空一個“筋斗云”就能越過十萬八千里。利用量子糾纏發(fā)展出的量子隱形傳態(tài)，可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點，就像孫悟空的“筋斗云”一樣，可以實現(xiàn)從A地到B地的瞬間傳輸。去年，中科大潘建偉團(tuán)隊在世界上首次實現(xiàn)多個自由度的量子隱形傳態(tài)，成果被評為國際物理學(xué)十大突破之首。 “如果我們帶著一個保險箱去北京開會，而保險箱的鑰匙落在合肥，合肥的同事可以通過量子隱形傳態(tài)將鑰匙每一個特征都精確傳送到北京，而在此過程中他并不掌握這把鑰匙的任何信息。這在經(jīng)典世界中是不可想象的。 ”潘建偉說。

絕對安全的“量子通信”

電報、電話、手機(jī)、寬帶……隨著信息技術(shù)的發(fā)展，通信手段日新月異，但均存在泄密的危險。由于信息科學(xué)存在“安全瓶頸”，各國科學(xué)家一直在尋找一種無條件安全的通信模式，量子通信應(yīng)運(yùn)而生。安全保密、超光速、遠(yuǎn)距離……近年來，量子通信因其傳輸高效和絕對安全等特點，被認(rèn)為是下一代通信和計算機(jī)技術(shù)的支撐性研究。

“從原理上來說，量子通信是無條件安全的通信方式。 ”潘建偉解釋說，由于量子具有不可分割、狀態(tài)不可克隆的特性，將其作為信息載體就可以實現(xiàn)抵御任何竊聽的密鑰分發(fā)，進(jìn)而保證傳輸內(nèi)容的絕對安全?？茖W(xué)研究表明，量子是不可分的最小能量單位，能量或物質(zhì)細(xì)小到一定限度，就無法被準(zhǔn)確測量，因為測量意味著干涉。理論上完美到極致的顯微鏡，對于一個量子級別的粒子也束手無策，因為一“碰”就毀壞了粒子的待測狀態(tài)。依據(jù)量子力學(xué)的這些原理，任何竊聽者在信息傳輸過程中截取或測量，都會改變它們的狀態(tài)，從而被實時發(fā)現(xiàn)。

“古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆開，就會留下泄密的痕跡。 ”潘建偉透露，量子密鑰在量子通信中的作用比火漆更徹底，因為一旦有人試圖打開“信件”，量子密鑰會讓“信件”自毀，并讓使用者知曉。早在1997年，潘建偉團(tuán)隊就在世界上首次實現(xiàn)量子態(tài)的傳輸，也正是他們的探索，促使量子科技更快地應(yīng)用于通信領(lǐng)域。在新中國成立60周年閱兵、紀(jì)念抗戰(zhàn)勝利70周年閱兵等關(guān)鍵節(jié)點，潘建偉團(tuán)隊構(gòu)建的量子通信熱線均為信息傳送提供了重要安全保障，展示了量子通信在國家安全、金融等信息安全領(lǐng)域的重大應(yīng)用價值和前景。

更加響亮的“中國聲音”

今年，對于量子通信而言，將是具有里程碑意義的一年——世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星7月發(fā)射，量子保密通信“京滬干線”下半年全線開通，將標(biāo)志著我國 “天地一體化”的量子通信網(wǎng)絡(luò)初步形成……在全國 “兩會”上，潘建偉介紹，這種衛(wèi)星和地面之間的量子通信，在全球范圍內(nèi)將是首次實現(xiàn)，意味著自上世紀(jì)80年代起，歷經(jīng)30多年的量子信息研究，終于走向?qū)嵱谩?/p>

量子通信領(lǐng)域的這兩大重要項目，均由中科大潘建偉團(tuán)隊牽頭承擔(dān)。為了2030年建成全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)，我國于2011年啟動建設(shè)全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星項目，2013年啟動建設(shè)千公里光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”項目。目前，全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星已完成載荷、平臺產(chǎn)品研制，正在開展發(fā)射星集成測試等工作;量子通信“京滬干線”項目已完成1554公里主干線光纜勘查和改造，將進(jìn)行二期現(xiàn)場實施建設(shè)。 “如果這兩件事都做成了，意味著一個天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形就形成了，驗證了技術(shù)上的可行性。 ”潘建偉說。

業(yè)內(nèi)人士介紹，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星上天后，可以實現(xiàn)高速星地量子通信，連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建我國廣域量子通信體系;“京滬干線”是連接北京、上海的高可信、可擴(kuò)展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，中間還有合肥、濟(jì)南等重要節(jié)點。其中，2012年建成的合肥城域量子通信網(wǎng)，4 年來運(yùn)行良好，通信正確率達(dá)99.6%，超過目前的移動通信水平。

今年1月，潘建偉團(tuán)隊的“多光子糾纏及干涉度量”項目，奪得國家自然科學(xué)獎一等獎。近年來，他們在世界量子通信領(lǐng)域發(fā)出響亮的“中國聲音”，成果9次入選兩院院士評選的“年度十大科技進(jìn)展新聞”，1次入選《自然》雜志評選的 “年度十大科技亮點”，3次入選英國物理學(xué)會評選的“年度物理學(xué)重大進(jìn)展”，3次入選美國物理學(xué)會評選的 “年度物理學(xué)重大事件”。

英國《新科學(xué)家》雜志在“中國崛起”特刊中評價道：“潘和他的同事使得中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，和整個中國牢牢地在量子計算的世界地圖上占據(jù)了一席之地”;《自然》雜志在報道該項目團(tuán)隊量子通信研究成果的新聞特稿“量子太空競賽”中不吝贊美之詞：“這標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域的崛起，將領(lǐng)先于歐洲和北美……”

目前，阿里巴巴、中興通訊等諸多企業(yè)已介入量子通信領(lǐng)域，并與相關(guān)科研單位展開長期戰(zhàn)略合作。在潘建偉看來，各方力量合作將會進(jìn)一步推動量子通信成果的產(chǎn)業(yè)化，有助于形成新的經(jīng)濟(jì)增長點。 “希望通過10年左右的努力，將來每個人在互聯(lián)網(wǎng)上轉(zhuǎn)款、支付等消費(fèi)行為，都能享受到量子通信的安全保障。 ”潘建偉表示。

潘建偉院士談科學(xué)素養(yǎng)

本報記者桂運(yùn)安“把發(fā)展基點放在創(chuàng)新上，以科技創(chuàng)新為核心。 ”在我國“十三五”規(guī)劃綱要中，創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略成為國家核心戰(zhàn)略之一。“建設(shè)創(chuàng)新型國家，必須要培養(yǎng)公眾的科學(xué)興趣，提升公眾的科學(xué)素養(yǎng)。”中科院院士、中科大教授潘建偉說，“如果大家對科學(xué)、對原始創(chuàng)新沒有興趣的話，我們就不可能變成一個真正創(chuàng)新的國家。 ”

在歐洲留學(xué)時，潘建偉有一次到阿爾卑斯山游歷，他在峽谷中遇到一位坐在輪椅上的老太太。老太太已80多歲，滿頭白發(fā)，她非常高興見到一個外國人。“你是干什么的?”“我是做量子物理研究的。 ”“量子物理哪一方面? ”“量子信息研究——量子態(tài)隱形傳輸，就像時空穿越的東西。 ”“我讀過你在《自然》發(fā)表的那篇文章! ”“當(dāng)時我非常感動。 ”潘建偉說。

一個80多歲的老太太，還對科學(xué)保持著這樣一種原始興趣，潘建偉當(dāng)時覺得她也許是個例外。但發(fā)生在他身上的另外一件事，讓他意識到這并不是個例外。幾年之后，潘建偉由于鼻子長了息肉，在德國海德堡大學(xué)做手術(shù)，做完手術(shù)醒過來之后非常痛苦，正好一個護(hù)士站在他的床前。“潘教授，你是不是在做那個跟時空穿越類似的東西啊? ”“是啊!”“你能不能給我講講?”護(hù)士與潘建偉聊著。 “當(dāng)時鼻子里面插著兩個管子，實在講不了，我說我將來送給你一點資料吧。 ”潘建偉感嘆道，一個鄉(xiāng)村老太太、一個醫(yī)院護(hù)士，竟然都對科學(xué)感興趣。

“歐洲民眾的科學(xué)素養(yǎng)，給我留下了深刻的印象。”潘建偉表示，當(dāng)前我國科技創(chuàng)新氛圍濃厚，國家出臺了很多措施鼓勵創(chuàng)新，近年來我國也取得了很多重大原創(chuàng)性科技成果，但建設(shè)創(chuàng)新型國家，必須持續(xù)提升公眾的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)公眾對科學(xué)的興趣。 “與歐美等發(fā)達(dá)國家相比，我們在這方面仍存在不少差距，還有很多工作需要去做。”潘建偉表示。