中國黑科技力壓歐美：「墨子號」又破兩項量子通信記錄

近日，繼6月16日量子衛星「墨子號」登頂美國《科學》雜誌封面後，這顆中國自主研製的世界首顆量子科學實驗衛星再次發來捷訊。本月3日和4日，預印本網站arxiv.org相繼刊登了「墨子號」的兩項最新實驗成果：星地量子密鑰分發和星地量子隱形傳態。該成果得到了英國BBC、每日郵報、麻省理工技術評論等媒體的廣泛關注。

星地量子密鑰分發實驗裝置圖

去年8月，由中國自主研製的世界首顆量子科學實驗衛星——「墨子號」發射成功，標誌著中國在量子通信領域步入全球領先地位。「墨子號」主要有三大科研任務：星地量子糾纏分發及非定域性檢驗、星地量子密鑰分發、星地量子隱形傳態，其中，星地量子糾纏分發及非定域性檢驗的實驗成果已經發表在美國《科學》雜誌，7月3日、4日的兩篇文章分別報道了剩下兩項實驗的實驗結果。目前這兩篇文章尚未在有關雜誌上發表，它們暗示了「墨子號」的主要實驗任務已經順利完成。

文章表明，「墨子號」完成了1200公里的星地量子密鑰分發實驗，第一次將自由空間量子密鑰分發的通信距離提高到千公里量級。該距離下 ，實驗獲得的安全密鑰成碼率達到kHz量級。 與此同時，在剛剛建成的量子保密通信「京滬幹線」中 ，我國實現了32個節點連接的2000多公里光纖量子密鑰分發。這樣一來，自由空間和光纖通信的量子密鑰分發距離紀錄均由中國科學團隊保持。在另外一篇文章中，「墨子號」 完成了1400公里的星地量子隱形傳態實驗，將該實驗的通信距離提高了一個量級。

日本微型衛星實驗

總的來看，該實驗距離實現「墨子號」完成的量子密鑰分發還有較大距離。同時，論文作者指出，未來將要開發「墨子號」使用的窄光束髮散、高帶寬高精度跟瞄等技術，將信號衰減降低40dB。他們預計，未來微型衛星的量子密鑰分發安全成碼率為10-100bps，該數值依然低於「墨子號」已經實現的成碼率一到兩個數量級。

2017年5月以來，中國科技大學潘建偉院士團隊在量子科學的兩大核心領域——量子計算與量子通信先後取得了令世界矚目的突破性成果。

該團隊一大特色即在於成員多為「80後」「90後」，充滿青春朝氣與創新銳氣。除了斬獲國內外諸多榮譽的陳宇翱、陸朝陽等研究帶頭人，還有一大批青年研究員、博士後乃至博士生構成了中國量子「夢之隊」的中流砥柱。

近日，「夢之隊」的青年科學家接受半月談獨家訪問，首度開講中國量子科學「80後」追夢之路的動人故事。

時間倒回到2016年9月23日。那時，世界首顆量子科學實驗衛星上天不過月余。

也不知道是團隊里的誰突發奇想，在新疆南山地面站，該項目的部分參與者集中到戶外，等待衛星飛過頭上的蒼穹。在紅綠光交會的那一刻，他們拍下一張合影。

2016年9月23日，中科大量子科學研究團隊青年人在量子通信新疆南山地面站合影

在那個瞬間，印娟想起2008年的暑假，26歲的她和25歲的曹原在佘山天文台，第一次驗證了星地之間量子通信可行的那一刻，印娟大喊，「曹原你別動（儀器），你快來，我收到啦，我收到啦！」

廖勝凱想起自己2010年博士答辯的那一天。博士論文方向是衛星地面站跟瞄系統的他，6年後終於給自己的博士論文畫上了句號，當年賭上青春的猜想，證明是可行的。

拍攝這張合影時，83年的曹原在興隆地面站進行星地光鏈路測試；

87年的徐憑在西藏阿里地面站裹著「軍大衣＋羽絨服」做實驗；

87年的芮俊參與了量子化學這一全新方向的實驗，在國際競爭中獨闢蹊徑；

88年的吳湛所在的小組在量子模擬系統中堅定地走出了比國際同行高一個維度的新方向。

拍攝這張合影的人，叫戴輝，是他們的學生，妥妥90後。

微小的量子世界裡，裝下了很多年輕人，幾乎沒有一個是在單兵前進。近百年來，包括愛因斯坦、玻爾等在內的幾代科學家，一直在追尋著量子世界的奧秘。

這一次，發出追問的，是這群年輕人。

阿里站，設備搭建階段，楊奎星（左）和徐憑（右）在調節四光子糾纏源

堅持：你只要跑下去，天自己會亮

量子光源是一種極其微弱的光信號。單光子級的光信號亮度，相當於一根蠟燭在140公里之外的人眼中的強度，要知道，人類肉眼能夠分辨蠟燭光亮的極限距離，大約才700米。

2008年，印娟和曹原被派到上海佘山，藉助天文台和衛星之間的光信號星地傳輸，證明單光子級別的光源也能被地面接收，為星地一體量子通信網路提供實驗支撐。

一個無人嘗試過的題目。一年間，印娟在樓頂望遠鏡旁盯著電腦，曹原在樓下控制偏正補償，日復一日。

由於天氣、技術參數等多種因素影響，電腦上幾個月都沒有一絲信號。忽然有一天，驚喜降臨，望遠鏡和衛星交會在一起時，屏幕上出現了一絲微弱的抖動。

這是歷史上第一次證明，如果從衛星上發射單光子級的光信號的話，地面上是可以收到的。也就是說，基於衛星的量子通信是可行的。

量子通信實驗衛星過境興隆地面觀測站

走進量子世界，為後來人探出一條平穩的路，讓大家漸漸明白這個世界的用處在哪裡，是中國量子科學人的初心。

做這樣的研究，就像是茫茫黑夜獨行，面前是一片混沌曠野，不知道研究方向是否正確，不知道要花費多少時間，不知道最後能不能做得出來。

何玉明有一段時間一直受這種焦慮的困擾。研究對象、測量技術……似乎處處都有不可預測的陷阱。從他考上博士的五年里，身邊的人一個個畢業或就業，他的研究卻依然舉步維艱。

在產生高品質單光子源的過程中，如何讓前後產生的光子保持極高的波包重合度，是國際所有研究團隊十多年來面臨的難題。

斯坦福大學實現了70%重合度，並把這一世界紀錄保持了十年，直到2012年何玉明所在的團隊通過探索一條嶄新的道路，一舉把這一紀錄提高到了接近100%。

誰都不知道他們能否成功，包括他們自己，為什麼還要堅持？何玉明的理由是：「勸自己放棄，比勸自己堅持難多了。」

麗江站量子星過境全景，綠光為衛星上發下來的信標光，淡淡的紅光為地面站發向衛星的紅色信標光，波長為671nm

紮實：哪有那麼多本該如此

芮俊2005年進入中國科學技術大學，到今年整整12年。自從投身超冷量子化學，他跟在國外領先小組後面跑了4年。

2013年他開始搭實驗裝置，想去一家世界領先的實驗室參觀，對方並不很樂意，後來芮俊是「蹭」其他大學的團隊進去的。

美國麻省理工學院（MIT）的教授曾問他，為什麼要跟著他們以前的路線做，不去開闢新方向。他老實回答說，我們經驗還不足。

沒有實驗室主頁、沒有論文……整整三年多時間，他們的團隊在國際上沒有任何「能見度」。

轉機出現在2016年。又一次按照MIT的方法設計實驗裝置、進行系統搭建，本應出現分子的實驗結果，只能看到對應的原子；調試了半天，分子倒是出現了，卻無法測量。

這是怎麼回事？芮俊和團隊里的其他老師同學，花了3個月的時間琢磨，最終弄清楚了——他們為超冷分子研究打開了一個新方向。

「動手比MIT晚了5年，還能繞過他們辟出一條新路，這是我們最欣慰的。」芮俊說，2016年底，MIT開始有很多學生過來參觀他們的實驗室，結果發現，困惑芮俊及其同事的實驗現象，早在5年前MIT的論文里已經顯露出了信號，當時卻沒有引起重視。

量子通信實驗衛星過境興隆地面觀測站

科學研究不是一個方法不行，就趕緊換一個方法；而是不停地問自己，為什麼這個方法不行。定位問題、復現問題、分析問題……要想解決問題，只有一步一步地往前走。

「必須把前一步的所有問題都解決，才能進入下一步。實驗做到最後，成不成基本上心裡早就有數了。」與芮俊一樣實現超冷量子化學「逆襲」的吳湛如是說。

把量子糾纏源送上太空前，曹原和他的同事發現它的指標總是出現波動。不可能給天上的衛星配一個「維修工」，只有抓緊分析。

問題定位到一個指甲蓋大小的光學器件——光束分束器，然後做出50多套相同的試驗件，窮盡每一個疑點。

「容得下一張書桌」的中國科學技術大學，默默地給了他們「打怪升級」最大的包容；組建實驗室的時候，他們的導師潘建偉院士放開所有束縛，他們可以5年不發一篇論文；團隊各司其職，雜務最大程度為實驗讓步，讓大家可以持續高強度、高質量工作。

每一步的基礎都打得特別牢，取得理想成績便顯得「自然而然」。

雲南麗江站，衛星過境時拍攝的照片。綠光是從衛星上發下來的信標光，波長為532nm

承諾

關鍵的不僅是「做什麼」，更是「做下去」

曹原曾錯過一秒。本來「墨子號」衛星第一夜經過興隆地面站的時候，他就可以完成星地之間的光路鏈接，讓紅光和綠光在天空中相逢。

但是，由於地面望遠鏡的控制軟體版本出現問題，比真實時間快了一秒，第一個夜晚就這麼錯過了。

是衛星上的載荷出了問題，沒有正常啟動嗎？曹原慌了，他和國家天文台的同事張曉明，一遍遍復盤操作，想的只有一件事：一定要確認是地面的問題。

不到24個小時衛星就會再度過境，參與的所有人都等著光路鏈接成功，衛星正常運轉的那一刻。

「最後發現是地面的錯，長舒了一口氣。」他們找到了那一秒鐘。當衛星的綠光如同一顆耀眼的星划過天際、最終和地面的紅光鏈接在一起時，曹原和張曉明不由自主地擁抱了一下。

戳視頻看曹原講【量子系列科普】↓↓↓

漫談夜空中最亮的星

——我們是怎麼用量子的方式進行安全的信息傳輸的

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徐憑不想錯過。知道西藏很苦，但沒想到阿里站會這麼苦。

地面站位於海拔5100米左右的山上，不通電，靠太陽能供電。在阿里漫長的冬季，太陽能發的電只夠支撐實驗儀器運轉。

衛星都是在凌晨2到4點過境，實驗團隊幾乎每天都在深夜11點前後上山，凌晨5到6點下山。

阿里站由於海拔太高，交通不便，設備都需要利用挖土機才能運送到站點

為省電不能開空調，實驗室的溫度維持在零下15攝氏度。手機充不了電，拿出屋外就自動關機；用銼刀把冰銼開燒水泡麵，面沒泡開，水已經全冷了……

但大家最記掛的還是儀器，僅余的電都用來驅動儀器元器件的取暖片。

裹著「秋褲+毛褲+牛仔褲+皮褲」的徐憑，和團隊其他成員一起，在高原上呆了150天。

「中間休息了半個月，回來結了個婚。」徐憑說。十年前潘建偉是陳宇翱的證婚人，如今，陳宇翱成了她的證婚人。

潘建偉院士指導團隊成員

證明的不僅是婚姻，是十年光陰，更是中國量子科學人薪火相傳的探索精神與堅韌毅力。

十年前，國內的量子科學研究既沒有經費，也缺乏成熟環境，潘建偉將自己得意弟子陳宇翱、陸朝陽都送到了國際頂尖的實驗室，學成後，不用一句催促，他們又回到了中國。

今年4月份，在陳宇翱之後，芮俊競爭到了馬普哈佛量子光學聯合研究中心的博士後，將以中國量子第三代人的身份，到國際頂尖的實驗室工作。「我們有一個不會說出口的默契」。

「你在地球的軌道里，自由地飛；

我在對面的山頂上，寒風在吹。

一路順風，我們的量子衛星」。

在去年的院內活動上，張文卓把這首改編自《南山南》的《量子星》搬上了舞台，曹原、廖勝凱都是主唱。這時離張文卓把《愛在西元前》改編為《愛在量子前》已有14年。

進入量子世界的機會，芮俊是撿來的，他大學時偶然聽了量子通信的講座；

曹原是碰來的，無意中得知科大有提前面試的計劃；

廖勝凱是拼來的，覺得畢業論文一定要經過驗證才能完美閉環；

張文卓是主動請纓來的，他堅信在這裡望得見第二次信息革命的曙光，付出整個學術生涯也值得。

進入量子世界後，他們才明白這種「公無渡河，公竟渡河」的勇敢，對於自己，比對於那個世界重要多了。

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