中國「量子之父」在質疑中前行，讓中國坐穩世界量子通信第一位！

「鬼魅般的超距作用」，愛因斯坦是這樣形容量子糾纏的。

在量子物理的世界中，兩個或以上處於糾纏態的粒子無論相隔多遠，都能「感知」和影響對方的狀態。

雖然一百多年來，物理學家對量子糾纏爭論不休。

但它的這種神奇特性，卻也一次次被實驗證實。

而在此基礎上，量子糾纏也被挖掘出了應用於保密通信上的價值，即量子通信。

它是目前唯一被證明，無法被竊聽、絕對安全的保密通信手段。

「墨子」號發射現場

然而當其他人都停留在理論實驗階段時，我國卻率先將其應用到了實際中。

這神秘了100多年的量子物理，終於派上了用場，走進了人們的實現。

2016年8月16日，全球首顆量子科學實驗衛星「墨子」號在中國酒泉衛星發射中心發射成功。

這次中國領先於全世界，率先進入了量子通信領域。

這麼多年來，中國的全面騰飛是全世界有目共睹的。

但我國在前沿科學上，卻一直遠遠落後於歐美。

今天，中國已經成為這重要科學領域的世界領頭羊。

而在全球領先的「墨子」號背後，也始終有一個默默耕耘的身影。

他就是中國量子通信之父——潘建偉。

潘建偉

1970年，潘建偉出生於浙江東陽市。

其父母雖然都是教師，但他們對潘建偉實施的教育方案，卻總是講求「無為而治」。

所以他從小都不會被逼著學這學那，頗為隨性自由。

不過到了初中，家搬到了縣城後，潘建偉就開始感受到壓力了。

從農村畢業的他，就因語文和英語基礎薄弱而吃盡了苦頭。

「第一次寫作文，老師只給了40分」，這令身為班長的自己感到無比羞愧。

潘建偉與兩個姐姐的合影

但潘建偉天性樂觀，就是有種不認輸的精神。

為了把英語學好，他經常把同學請到家裡來，又或是專門向老師請教。

很快，他就以神速的進步，彌補了過去薄弱的基礎。

到中學畢業時，他還是拿了全年級第一名。

1996年，潘建偉與導師張永德教授

而在循序漸進的學習中，潘建偉也發現了自己對物理的熱愛。

為了能在大學繼續研究物理，他甚至放棄了保送浙江大學熱門專業的「金門票」。

17歲，他也終於如願以償考進中國科技技術大學的近代物理系。

在那個「搞原子彈不如賣茶葉蛋」的年代，潘建偉是一頭扎進了別人認為沒前途的基礎物理研究。

在大學時期，和許多物理愛好者一樣，潘建偉一直就將愛因斯坦列為偶像。

他熱愛閱讀《愛因斯坦文集》，總喜歡隨身攜帶著文集的第一卷。

那時，中科大的同學還為潘起了個綽號為「伯特」，因為「阿爾伯特」正是愛因斯坦的名字。

後來在參加節目《開講啦》之前，他還專程託人送給了主持人撒貝南一本。

而他身邊的學生，更是人手一本。

潘建偉在節目《開講啦》現場

不過與大多數人不同的是，潘建偉更喜歡用行動來拉近自己與愛因斯坦的距離，而不僅僅是崇拜。

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在中科大，潘建偉第一次接觸到量子理論，就被其詭譎深深地吸引住了。

當時沉浸在量子世界不能自拔的潘建偉，甚至還差點因疏於功課而掛科。

而在這之後，他也一直深耕在量子理論這片土地上。

只是隨著研究的深入，潘建偉越發感覺到，量子理論中的各種疑案，需要更尖端的實驗技術才能得以驗證。

因斯布魯克大學（Innsbruck University）

但當時在國內，這方面的水平還是一言難盡，比較落後的。

所以，本沒有出國打算的潘建偉，選擇了留學這條路。

不過，這次出國留學他不只為了自己的夢想，更是為了一個中國夢。

當時來到奧地利因斯布魯克大學，導師塞林格（Anton Zeilinger）就問他：「你的目標是什麼？」。

潘建偉也坦露了自己心聲：「我想要在中國，建一個和您實驗室一樣世界領先的量子物理實驗室」。

塞林格（Anton Zeilinger）

潘建偉一直用行動踐行著這個承諾，也對得起當初的野心。

剛進塞林格教授門下攻讀博士學位，他就一直在腦海里醞釀著一個對量子態進行隱形傳輸的實驗方案。

所謂量子態隱形傳輸，就是利用「量子糾纏」的一種全新通信方式，也稱量子通信。

量子糾纏理論認為，兩個相互糾纏的電子對即使一個地球一個在月球。

只要你觀測到了其中一個電子的狀態，另一個電子也會瞬間產生相同的改變。

而利用這種「鬼魅般的超距作用」，量子通信便可以將另一個粒子的未知量子態傳送到遙遠的地點，而不用傳送這個粒子本身。

量子隱形傳態科普版，圖片來源：劉琪

其實從過去摩斯電碼到電報、傳真、再到行動電話、網路通信，其信息安全的隱患都是一直存在的。

而在量子通信則因其不可被分割、無法被克隆等特性*，做到不可被竊取與絕對安全。

註：首先，光量子是不可被分割的，已是光能量的最小單位了。所以竊聽者無法採用將光子分成兩半的方式（一半用於獲取密鑰，一半用於傳輸給接收方避免被發現）竊取信息。而且，光量子還具有無法克隆性。原因是光量子本身是無法準確測量，所以竊聽者就無法通過準確測量光子，克隆出一個一模一樣的光子以獲取信息。換句話說，就是在量子通信傳輸信息的過程中，信息一旦被竊取，就一定會被發現。

當時鑽研了一個月，覺得這方案成熟後了，潘建偉便向小組報告了自己的設想。

豈料報告結束後，全組人竟無一人應答。

正當潘建偉詫異之時，導師塞林格過了好半天才為他解開了疑惑：

「潘，你不知道這就是量子態隱形傳輸的理論方案嗎？另外一個小組就正在準備這個實驗！」

潘建偉確實不知道。

但這也正中其下懷，很快他便主動請纓加入該實驗組。

而這一請求，也悄然改變了潘建偉今後的命運。

目前被引用次數為4916

一年後的1997年，該小組便在Nature上發表了一篇題為《實驗量子隱形傳態》（Experimental quantum teleportation）的論文。

當時，27歲的潘建偉正是第二作者。

隨後，他與同事又先後在國際上首次完成了量子糾纏交換，三光子、四光子糾纏及其非定域性檢驗，量子糾纏純化等重要實驗。

在國外耕耘多年，潘建偉也覺得差不多該回國實現當初的設想了。

但剛博士畢業的潘建偉也明白，想要在中國將這顆量子的種子埋下實屬不易。

那時，國內的量子信息研究依然是一張白紙，不僅少有人懂，有時候還會被認為是「偽科學」。

每次他提到此設想，別人總是要問他「這個東西國外有沒在搞？」「到底靠譜不靠譜？」

在這種情況下，想要申請到國內科研經費自然難於上青天。

不過天無絕人之路。

原來他在1997年在Nature上發表的論文，恰好在1999年被評為「百年物理學21篇經典論文」。

這個實驗，也被公認為量子信息實驗領域的開山之作。

值得一提的是，與該成就並列的還包括倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構等。

這陣容強大得驚人。

潘建偉也以這種特殊的方式，向自己素未謀面的「導師」愛因斯坦致敬。

很快，這個消息就傳到了國內，潘建偉的名字也一炮而紅。

時來運轉，他提交的科研項目，也終於獲得了支持。

拿著700萬資金，潘建偉便開始在母校中科大著手組建實驗室。

然而在這種情況下，質疑聲依然揮之不去。

有人甚至說他是「假回國、真騙錢」。

對於如此誅心的質疑，潘建偉並沒有呈口舌之快。

他能夠做的，只有埋頭干，儘快拿出成績。

畢竟做出科研成果，才是對抗這眾多質疑聲的最有力反擊。

果然，在不到一年的時間，他的研究組就在世界權威雜誌《物理評論快報》上發表了7篇論文。

而當時國內高校，在該雜誌上一年也發不了幾篇。

其實，當時國內量子信息領域的研究水平和人才儲備都是很薄弱的。

想要實現實驗室的從無到有，還需要一番積澱。

而為了不與世界脫節，潘建偉也過上了「候鳥」般的生活，國內外兩頭跑。

到2009年，完成了技術和人才的積累後，潘建偉才決定「是時候徹底搬家了」。

辭去國外的職位後，潘建偉便將國外的實驗室整個遷回了中科大。

「搬家的清單足足列了120頁，大到激光器，小到12毫米的鏡片，全部搬回國了。」

而當初由潘建偉「量身定製」送往海外頂尖實驗室的年輕人，也在他的預期內陸續回國，組成了現在的「潘之隊」。

潘建偉領銜的量子科學研究團隊

而行至今日，潘建偉團隊也在成長過程中收穫一系列驚艷的成功，屢創世界第一。

首次實現五光子糾纏和終端開放的量子態隱形傳輸；

首次實現16公里自由空間量子態隱形傳輸；

首次實驗實現了八光子薛定諤貓態；

利用八光子糾纏，首次實驗實現了拓撲量子糾錯；

首次實驗實現了百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發；

首次實現多自由度量子隱形傳態，這也被英國物理學會（Physics World）評為「2015年度十大物理學突破」......

但在這諸多成就中，最讓潘建偉自豪的，當然還是2016年全球首顆量子科學實驗衛星「墨子號」。

這也標誌著世界首次實現了衛星和地面之間的量子通信。

而在這之前，沒有任何可以借鑒的成功經驗。

從過去模仿，到現在獨創，這世界第一顆量子衛星的發射，給了我國科學家極大的自信。

Science封面上的「墨子」號

到2017年8月10日，「墨子號」也宣布完成了三大科學實驗任務：量子糾纏分發、量子密鑰分發、量子隱形傳態。

隨後，它將與「京滬幹線」一同構建起我國天地一體化廣域量子通信網路。

這也意味著，將來我國國防、政務、金融、商業等領域，信息都將得到絕對的保密與安全。

2017年潘建偉被評為《NATURE》年度十大科學人物

其實隨著量子通信技術逐步走向實用化，國際上，信息安全領域的競爭也將日益激烈。

從U盤有「後門」，到「斯諾登」事件，再到大家以為很安全的海底光纜都可以通過潛艇竊聽。

無論個人隱私，還是國家安全，這些信息泄漏的嚴重後果，大家也有目共睹。

現在有報道的全球範圍內，因為個人隱私泄露所造成的經濟損失，已經達上千億美元。

而量子通信，正是當前被證明無條件、「絕對」安全的通信手段。

可以毫不誇張地說，在未來沒有量子通信的國家，其信息安全在別國看起來就等同於透明。

而沒有信息安全，也就意味著沒有國家安全。

在過去傳統的信息安全領域，中國一直落後於他國。

但自從「潘之隊」成立後，我國至少在全球量子通信領域成為了領頭羊。

在國際形勢嚴峻的當下，各國紛爭不斷。

中美貿易戰爭打響後，便不斷持續升級。

而中興事件也彷彿給了中國當頭一喝，讓人感觸良多。

人民日報評論道：只有把核心技術掌握在自己的手中，才能真正掌握競爭和發展的主動權。

所以在未來，我們仍需要，穩步保持這領先地步。

2018年3月，在全國兩會期間，潘建偉也表示：

「期盼在我有生之年，能親眼看見以量子計算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯網的誕生。」

量子力學最大的神秘之一，就是測量的本質誰也不知道。

就像薛定諤的貓，你沒打開箱子之前，永遠不知道貓的狀態。

科學最大的魅力，就在於一切皆有可能，而中國的未來更是如此。

*參考資料

陳宇翱.擔心信息泄露？你可能要多學點量子物理學.墨子沙龍.2017

潘建偉院士通俗解釋「量子通信」.中國科普博覽.2016.09.21

謝飛君.潘建偉：讓中國量子科學從追隨者變超越者.中國高新科技.2017

包松婭.解讀潘建偉的「量子人生」.人民政協報.2014.12.16

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作者系網易新聞·網易號「各有態度」簽約作者

內容為【SME】公眾號原創，歡迎轉載

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