数据通讯的量子空间竞赛——记致力于在空间进行量子通讯实验的潘建伟院士
潘建伟：我曾经痴迷于这些量子悖论
● 在全球建立第一个“量子互联网”，始终是潘建伟及其团队的愿望。从学习、竞争再到合作，从十几年以前的小角色到该领域的一个引人注目的领跑者，2016年8月16凌晨，中国成功发射了一颗专注于量子通讯的科学实验卫星“墨子”号，以此探索或检验量子理论的基础以及爱因斯坦关于空间、时间和引力的理论。
2010年，潘建伟给中国长城加入了一丁点的《星际迷航》。在北京以北的丛山上靠近长城底部的一个位置，他和他的物理学团队把一个探测器上的一束激光瞄准到16公里远的高处。潘建伟和他的团队来自于中国科技大学。随后，他们通过激光光子的量子特性在所经过的空间中“传送”信息。当时，这是世界上最长距离的量子态隐形通讯记录，该实验是迈向他们终极目标的一大步——其终级目标是在空间进行量子卫星通迅。
现在，这一目标得以实现，它将建立全球第一个“量子互联网”连接。“量子互联网”是通过亚原子物理学而产生的一个超级安全的全球通讯网，这将确保中国在这个领域的提升。
这也标志了潘建伟与安东•齐林格（Anton Zeilinger）的长期且激烈竞争达到了高潮。齐林格是维也纳大学的一位物理学家，曾经是潘建伟的博士生导师，也是潘建伟在长距离量子通讯竞争中的对手。现在他们成为了合作者。一旦卫星发射，这两位物理学家便计划通过卫星连接亚洲和欧洲进而创建第一个洲际量子安全网络。“有一句古老的中国谚语‘一日为师，终身为父，’”潘建伟说，“在科学研究中，齐林格和我共同合作，但感情上我总是把他作为我德高望重的父辈。”
2001年，潘建伟建立了中国第一个用于操作光子量子特性的实验室，当时他仅仅30岁出头；2003年他提出了量子通讯的卫星计划；2011年，已经41岁的潘建伟成为了当时中国科学院最年轻的院士。“他几乎是单枪匹马地推动这个项目并把中国加入到量子制图之中，”潘建伟团队成员陈宇翱如是说。
这要追溯到20世纪80年代末潘建伟在中国科技大学的本科时期，当时他第一次在原子领域中遭遇到的悖论，即量子物体能够以许多态的一个叠加而存在。举个例子，一个粒子能够同时顺时针或逆时针旋转，并且它能够同时出现在这里或那里。这一多重性格数学上是通过该粒子的波函数来描述的。波函数给出了粒子处于每种状态的可能性，只有当被测量的粒子特性其波函数坍塌时，才能在一个单一位置上选择该粒子的一个状态。至关重要的是，即使在原理上没法去预言一个时间的结果。这种可能性仅显示为一种统计分布并且只有当这个实验被重复了许多次。
由于量子纠缠的特性，当涉及到两个或更多粒子时事情会变得更加奇怪。许多粒子能够以这样的方式被编制：一个粒子的测量能够找到同其他粒子测量的对应关系，即使这些粒子相距很远——叠加现象要求这些粒子的特性直到被探测到的那一瞬间才能被固定。两位分别在北京和维也纳的物理学家，他们完全一致地掷硬币，结果发现硬币总是面和字同时朝上，这听起来很奇怪。“它们吸引着我以至于我根本无法学习其他东西。”潘建伟想要探测这些几乎不可思议论断的准确性，但当时在中国他找不到一个合适试验性的量子物理实验室。
培养如同潘建伟一样的中国物理学家，最自然的便是去美国发展——事实上，中国科技大学的研究生开玩笑地说他们大学的首字母USTC像似“美国训练中心”。潘建伟志在向量子实验大师学习，对于他而言，齐林格是最突出的。
1989年，齐林格与丹尼尔•格林伯格（Daniel Greenberger，目前在纽约城市大学工作）、迈克尔•霍恩（Michael Horne，目前在石山学院工作）合作研究支配三个或更多粒子的一个关键定理。这项工作是量子领域的一个转折点——主要归功于齐林格。20世纪90年代中叶，齐林格已在因斯布鲁克大学建成了自己的量子实验室，同时需要一名学生来检验他的一些想法，而潘建伟似乎是最合适的人选。这对于一个中国学生来说是一个罕见的机遇，潘建伟为此来到了奥地利并开启了与齐林格之间的联系。
在研究生阶段，潘建伟对自己的祖国有着远大抱负。在首次会面时，齐林格就问潘建伟的梦想是什么，“在中国建立一个像您这样的世界领先实验室，”潘建伟的回答给齐林格留下了深刻印象。“他刚到这里时，对实验室的工作还一无所知，但他迅速适应了实验室的工作并且不久发明了他自己的实验，”齐林格说，“我知道日后他会有着蒸蒸日上的事业，而且是令人难以置信的成功，我认为是任何人都不能预知的成功。我真的为他感到骄傲。”
当潘建伟逐渐精通齐林格实验室工艺流程的同时，全世界的物理学家也慢慢接受了这些深奥量子特性的概念，而着迷的潘建伟就是通过这些量子特性在酝酿创建超级强大的量子计算机。标准计算机以二进制编码处理信息——成串的0和1——而早在1981年，物理学家理查德•费曼（Richard Feynman）已经指明量子位元，即“量子位”不需要那么多条条框框。一个量子位能同时以0和1的叠加存在，预示着建造运算更快的量子计算机是可能的，这样的计算机会把多个量子位纠缠在一起以惊人的速度执行某些计算。
另一个想法是应用于涉及银行业务的量子加密。其核心思想是测量一个量子系统会不可逆转地破坏它——当艾丽丝和鲍勃能够产生和分享量子密钥，即任何窃听者的干预都会留下痕迹，这样便保证了安全性。
2001年潘建伟返回了中国，基于量子技术的潜能被足够的认识以至于吸引了中国科学院和国家自然科学基金委的资金支持。潘建伟说：“幸运的是2000年中国经济开始增长，这一时机很适合进行科学研究。”他便全身心地投入到他的梦想实验室中。
与此同时，齐林格也来到了维也纳大学，继续着他那雄心勃勃的梦想——创造量子纪录——他的最著名的实验之一就是证明了巴基球，其60个碳原子的富勒烯分子能够以波和粒子行为同时存在。这是一个特殊的量子效应，而当时许多的想法认为不可能以如此大的分子存在。“许多人在谈论或许应当在小的、双原子分子中进行这个实验，”齐林格说，“但是，没有人考虑如何做出一个超越人类想象的意想不到的飞跃。”
当全世界物理学家开始想象未来的量子网络，即基于尚未建成的量子计算机之间的连接，以及大多数从业者仍然在实验平台上得到量子信息时，潘建伟已经开始考虑如何在整个地球上进行量子通讯。1993年，由美国国际商用机器公司（IBM）计算机科学家查尔斯•贝内特（Charles Bennett）及其同事首次提出量子态这一概念，量子通讯便赢得了轰动的效应，“就像来自《星际迷航》一样，”陈宇翱说。因为它允许关于一个量子对象的所有信息在一个位置上被扫描并随后在一个新的位置上重新创建。关键是纠缠：因为在每个纠缠态粒子中实施操作会影响其伙伴粒子的状态，但无论距离多远，这对粒子能够被控制成如同是一根电话线的两端传输着量子信息。
然而，挑战出现在量子通讯的两端上，即纠缠态粒子一定是同时产生的，其传输过程充满了噪音并夹杂着各种散射等作用，其中任何一个都能摧毁作用于量子通讯器的8量子关联。举例而言，目前的纠缠态光子是通过光导纤维进行通讯的。然而，光导纤维在通讯过程中会吸收光子进而影响光子的传输。其时，标准放大器也不起作用，因为在放大的过程会摧毁量子信息。“对于超越一个城市的远距离通讯而言，我们需要通过卫星进行通讯，”陈宇翱说。
为了找到答案，潘建伟团队于2005年开始实施基于地面的可行性试验，只是为了探明光子在遭遇空气分子时是否会失去其纠缠态。同时，他们需要建造一个目标探测器并将其置于卫星上——探测器应当足够敏感能够从背景光中辨认出通讯光子，以及把光子束足够紧密地聚焦在探测器上。
这项工作同时也唤起了齐林格的竞争本能。“中国正在做这件事，为什么我不试一下呢？”他笑着说。由此，便开始了更长距离的量子通讯实验的竞赛。随后的7年里，通过在合肥实施的一系列试验，接着是北京长城以及青海的实验，中国团队的通讯距离为97公里，并在2012年5月宣布了他们的结果，同时在物理学预印本服务器arXiv上公布了一篇论文。
8天后，奥地利团队也在arXiv上发表了他们的论文，并报告了一个新的144公里的距离纪录。两篇文章最终在《自然》杂志上发表。奥地利团队成员、维也纳大学物理学家马小松（Xiao-song Ma）说：“我认为要承认这一事实，每个试验都是不同的并且优势互补。”
齐林格团队在加那利群岛的实验保持了量子通讯的远距离纪录
现在，中国团队和奥地利团队的目标是，前者需要一个实验卫星，后者要在卫星上测试其功能有效载荷。齐林格曾与欧洲空间局（EAS）讨论过量子卫星任务的可能性，但最终失败。EAS的犹豫给中国航天局打开了一扇窗口，于是2016年今天我们看到中国的一颗量子物理卫星发射成功。
如果没有任何可以交流的伙伴，那么，发展第一个全球量子通讯网络将是毫无意义的。潘建伟为此邀请了曾经的竞争对手——奥地利团队——加入到他的项目中：第一个目标是产生并分享从北京到维也纳之间的一个安全量子密钥。“对于任何一个团队而言，卫星通讯是一项大的任务，以至于需要双方的合作，”马小松说。
尽管推进前沿技术是中国政府的承诺，然而，许多物理学家发现这一卫星项目是由于其他一些原因而吸人注目。“作为一个科学家，引导我的是了解更多物理学的基本侧面，”陈宇翱说。到目前为止，量子理论的不可思议已经多次被复制到实验室中，但以前还从没有延伸到空间上进行检验。在更大尺度上，物理学的另一个基本理论——广义相对论——占统治地位：相对论把时间描绘成单一维度，并同三维空间一起构成宇宙的四维时空。引力的显现，是因为可塑的四维时空在诸如太阳这样的大质量天体周围发生弯曲，同时引力也把一些质量略小的天体如行星拉到了一起。
挑战在于量子理论和广义相对论呈现出时、空的不同概念，物理学就是着力把它们融入一个统一的量子引力框架中。在爱因斯坦的图景中，时空是完美光滑的，即使在无穷小尺度下进行实验也是如此。然而，量子的不确定性隐含了不可能在足够小的距离上检验空间。沿着量子理论或广义相对论这条线，其中必定有一个理论要作出相应的调整，但至今仍不清楚到底是哪一个。
一个显而易见的问题是，量子纠缠态能否从地球延伸到卫星？研究人员计划通过卫星产生的一系列纠缠态粒子来回应这个问题，包括测量其特性来验证相关的一对粒子。“如果纠缠态不起作用，那么我们不得不寻求量子力学的其他理论，”日内瓦大学理论物理学家尼古拉•布鲁纳（Nicolas Brunner）说。
卫星有望更进一步探测一些由候选引力理论所预言的时空结构。举例而言，理论预言如果科学家能够看到10-35米的尺度，此时的时空形态会变成颗粒状，这一特征尺度就是众所周知的普朗克长度。如果确是如此，那么，沿着颗粒状时空来自于卫星的光子会放缓它的脚步，其极化会经历一个微小的随机转动——这一效应足够大，以至于在地面站上能注意到它。“卫星将在一个领域中开启一扇新奇之窗，该领域的实验以前还从未进行过，这太棒了！”罗马大学的物理学家乔凡尼•A•卡梅利亚（Giovanni A.Camelia）说。
2013年年初，潘建伟、齐林格团队在详细检验圆周理论物理研究院的一系列工作方案，方案提出了可以被卫星检验的其他一些基本问题，包括一对纠缠态粒子是如何知道其遥远伙伴粒子的实验结果，抑或通过一些仍然未知的通道进行沟通？是什么引起量子波函数的坍塌，或引力是以某种方式被涉及的吗？抑或如同广义相对论所描述的一样，时间是精确定义的量，还是量子力学所期望的那样，时间是模糊的？
回答这些问题需要装置有着非凡的灵敏度，潘建伟说。面对上述的这些挑战，解决的基础现在比过去更扎实了一些，因为两个竞争的团队目前已经合力走到了一起——奥地利团队正充满热情地抓住这个新的合作机会。正如齐林格所说“我的一个学生开始学习中文了。”
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