为什么中国率先搞定了量子通讯卫星，而外国科学家只能羡慕嫉妒恨？

陆朝阳教授的演讲内容将于近期发布，造小就很后悔没能跟大神合影！

去年年底一个晴朗的夜晚，在中缅边境附近某处，地平线上出现一个绿点。“就好像一颗明亮的绿色恒星。”中国科技大学物理学教授陆朝阳在丽江郊区的一个观测站，目睹了这一景象。

他和同事们必须眼疾手快。这个绿点其实是一道激光，发射这道激光的，是在480多公里高的地球轨道上飞行的一颗人造卫星。这颗卫星好比是灯塔，激光则是它发出的信号，播送着卫星的位置。激光将划过夜空，用不了十分钟，就会消失在地平线下。

于是，团队（成员来自中国的多家科研机构）用望远镜锁定激光，搜寻他们真正的猎物：一个个微乎其微的红外光子，是由卫星上搭载的特殊晶体产生。在过滤掉绿光后，他们盯住了自己的猎物——一种从未被发送过的量子信号。

这是一场意义深远的实验，目的是测试一种名为量子密码学的崭新技术，即用光子等量子粒子传输加密信息。但脆弱的量子粒子是出了名的难以传输。若用光纤发送，最多只能传输240公里，否则信号就会受损。想要在全国或全球范围内发送信息，根本力不从心。

因此。研究人员很早就提议：用人造卫星远距离播送量子粒子。在此次实验中，人造卫星在两个相距1200多公里的地面站之间连续发送单光子信息，创下纪录。“在量子通信网络的拓展方面，这无疑是一个里程碑。”巴黎量子计算中心（Paris Center for Quantum Computing）副总监海伦·戴蒙德（Eleni Diamanti）说，他并未参与该实验。

去年8月，中国酒泉卫星发射中心发射了这枚造价高达1亿美元的人造卫星。发射前，研究人员在其中架设了一个由激光、反射镜，以及一种特殊晶体组成的复杂系统。他们将一束激光射向晶体，使之产生光子对，也叫做纠缠光子。该晶体一次能产生600对光子对，但在地面上，两个地面站每秒只能探测到大约一对。“这是一项艰巨的任务。”陆朝阳说，“就好像要在300米开外看清一根头发。”

陆朝阳

陆朝阳等研究人员认为，量子加密学也许是加密工具的未来。在执行正确的情况下，其传输协议如下：先检测光子的特性，生成一个由1和0组成的密钥，发给接收者；再用该密钥加密信息，并把信息发送出去。按照量子力学的理论，如果有外人想要窃取密钥，它就会立刻转变为另一组数字。

就像薛定谔的猫，你不去看，猫就始终处于生与死的叠加态。你一看，它要么活着，要么已经死亡。同样的道理，窃取行为会立刻改变构成密钥的光子，也就是说，从理论上讲，物理定律注定了窃取行为不可能成功。（但实际操作中，硬件不可能尽善尽美：现有的探测器还无法很精准地接收单一光子，可能会受到外部环境干扰 。）

潘建伟

此次发射——以及实验本身——都酝酿已久。中国科技大学的潘建伟是领导该项目的物理学家，早在2003年，他就提出了这一人造卫星实验的设想。他的团队约有100名成员，大家花了多年时间，精心设计、构建和调试这套激光与卫星系统。他们先是进行地面实验：在几公里距离内测试密钥传输，随后逐渐拉长距离。

但相对于同领域的其他研究团队，他们的进展是相当生猛的，加拿大滑铁卢大学物理学家托马斯·詹宁威（Thomas Jennewein）说。最近，他成功地将一个量子密钥从地面发送到了正在飞行的飞机上。

多年前，詹宁威曾多次提出过开展量子加密通讯实验的设想，想要在国际空间站上进行类似实验。“由于复杂性和成本等种种原因，那些项目都停留在研究阶段。”他说，“但中国团队说干就干，而且真的做到了。很了不起。”

中国在这个领域的进展之所以如此之快，是因为政府高层对这类技术十分重视，昆山杜克大学的丹尼斯·西蒙（Denis Simon）说，他是中国科学政策方面的专家。他说，因为得到了高层的首肯，所以省去了繁琐的经费申请流程。政府对这种技术感兴趣，是想借助量子保密通信，服务国家利益。

与此同时，其他国家的研究人员也在尝试类似的实验——只不过面临更多繁琐的手续。戴蒙德的团队向欧洲空间局递交了一项提议，想以国际空间站为发射点，向欧洲的多个地面站点发送量子粒子。到目前为止，他们仍在等待欧洲空间局的回应。

美国也在进行类似的实验，领导这方面工作的是保罗·科亚特（Paul Kwiat），伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一名物理学家。实验将在国际空间站上进行，美国宇航局（NASA）也参与其中。

但没有一个国家像中国这样充满雄心。陆朝阳说，他的研究小组还计划用一颗新的卫星进行同样的实验，该卫星所处轨道更高，能在相距更远的城市间发送量子密钥。他们想联手奥地利的协作者，在两国之间交换量子密钥。

潘建伟说，到2030年，中国将发射一批这样的卫星，建立起一个覆盖全球的网络。“我们很幸运，能得益于一个高效的决策体制。”陆朝阳说。

当政治与科学的利益不谋而合时，其力量是无与伦比的。

翻译：雁行

来源：Wired