引领量子科学革命风骚

“墨子号”量子科学实验卫星与阿里量子隐形传态实验平台建立天地链路（2016年12月10日摄）。新华社记者 金立旺摄

　　量子力学是微观物理学依赖的基本理论框架。自其提出一百多年来，在物理学基础与应用的方方面面取得了一个又一个的成功。复旦大学物理系教授施郁将量子信息和量子操控等方面发生着的改变称为“继续量子科学革命”。在这场科学革命中，中国科学家正在努力攀登，在某些领域已经占据鳌头。

　　量子科学革命正在发生

　　早在20世纪90年代，诺贝尔奖得主、著名物理学家莱德曼曾说，量子力学贡献了当时美国国内生产总值的三分之一。今天，由量子力学引发的科学革命正在深刻地改变着人类的生产生活方式——量子力学被广泛应用于各学科领域，量子光学、量子统计、量子化学、量子信息、量子计算等正蓬勃发展。

　　世界各国纷纷把量子科学作为未来要抢占的战略制高点。英国在2013年就宣布将投资2.7亿英镑设立英国国家量子技术计划，同时成立量子技术战略顾问委员会。欧盟则计划于2018年启动总额为10亿欧元的量子技术项目。美国更将量子技术视为未来增强国家安全的重要屏障——美国国家科学技术委员会发布《推进量子信息科学：国家的挑战和机遇》报告认为，量子计算最终或将颠覆众多学科领域，因此敦促学术界、工业界和政府相关部门保证量子信息研发的需求。

　　同样，我国对量子科学发展也非常重视。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》将量子调控研究列入四项重大科学研究计划；“十三五”规划纲要将量子通信和天地一体化信息网列为十大重点项目；科技部、中国科学院、国家自然科学基金委员会等科研主管部门也对量子信息领域持续进行着前瞻性、战略性布局。

　　如今，我国形成了很强的量子科学理论和实验技术储备，培育了一批优秀的研究团队，涌现出潘建伟、陈宇翱等众多在国际上有影响力的科学家，在量子通信、量子计算等研究方向上产生了一批具有重要国际影响的研究成果。

　　中国在量子计算领域亮点频出

　　在量子计算领域，国际学术界普遍认为基于光子、超冷原子和超导线路体系的量子计算技术最有可能取得突破。用中国科学技术大学常务副校长、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院院长潘建伟的话说：“我国在这三个方面均有世界领先的表现。”

　　2016年8月，潘建伟和同事苑震声、陈宇翱等在国际上首次实现对光晶格中超冷原子自旋比特纠缠态的产生、操控和探测。《自然·物理学》评价说，这一工作为“基于测量的量子计算铺平了道路”。

　　今年5月3日，《自然·光子学》和《物理评论快报》同时刊发了2项我国科学家在量子计算上取得的进展：制造出光量子计算原型机和实现世界上纠缠数目最多的超导量子比特处理器。

　　飞跃近在眼前。潘建伟透露，今年年底有望实现20个光量子比特的操纵、20个超导量子比特样品的设计、制备和测试，并发布量子云计算平台，“为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定坚实基础”。

　　中国在量子通信领域领先世界

　　近期，中国科学院将对我国量子科学实验卫星“墨子号”的相关成果进行发布。这又一次证明，中国在量子通信领域一直保持引领。

　　2003年，中国科学技术大学团队首次实现纠缠态纯化以及量子中继器的成功实验，首次成功地实现了自由量子态隐形传输。而在当时，恐怕没有人能预见到：中国将在量子通信领域实现引领。

　　如今，中国科学家不仅在基础理论研究中频传佳绩，更将量子通信带入实际应用：建成国际上规模最大的量子通信网络“合肥城域量子通信试验示范网络”，建设“京沪干线”量子保密通信工程；2016年量子科学实验卫星“墨子号”顺利升空并开展实验……中国在2030年率先建成全球化量子通信卫星网络的目标，正在扎实推进。

　　我们有理由期待，中国科学家将在理论研究与应用技术上取得更大突破，在量子科学革命中引领风骚。

来源：《光明日报》 2017年06月14日 01版。

附录一：量子安全直接通信在量子存储中实现

中国科技大学和南京邮电大学科学家合作，在量子安全直接通信（QSDC）领域取得重要的阶段性突破：他们首次用量子存储对量子安全直接通信协议中的核心内容进行了验证，为实现基于卫星的长距离和全球化量子安全直接通信奠定了基础。相关论文发表于最新一期《物理评论快报》杂志上。

　　量子通信有多种不同方式，目前普遍报道的是量子密钥分发，即通过量子的手段在通信双方之间安全分发和共享随机密钥。而量子安全直接通信的不同之处在于，它不需要通信双方事先共享密钥而直接传输机密信息。如果存在窃听，可以通过安全性检测发现。但至今为止，量子安全直接通信相关实验通常利用光线延迟来替代量子存储。而在未来的量子通信网络中，必须使用真正的量子存储器，因为光纤延迟的存储时间不可调，而量子存储的存储时间是可控的，在未来通信网络中具有灵活性。

　　由于需要存储纠缠态光子以及建立在不同存储单位间的纠缠，在量子存储中实现量子安全直接通信面临巨大挑战。这次实验中，研究人员利用一种较为简单的解码方式，首次使用真正的量子存储，展示了基于纠缠的量子安全通信协议的大部分核心内容，这些内容包括光子纠缠的产生、量子信道的安全性以及纠缠态光子的传送、储存和编码。

　　该实验朝着未来的量子直接通信网络迈出了关键性一步。以此为基础，研究人员可以开展100公里以上远距离的量子安全直接通信研究，实现星地之间以及全球化的量子安全直接通信。

来源：《科技日报》 2017-06-15 01版

附录二：“墨子号”在国际上率先实现千公里级量子纠缠分发

近日，中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其同事彭承志等组成的研究团队，联合中科院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中心等，在中科院空间科学战略性先导科技专项的支持下，利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发，并在此基础上实现了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验，在空间量子物理研究方面取得重大突破。 

　　这一重要成果为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究，以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。相关成果于6月16日以封面论文的形式发表在国际权威学术期刊《科学》上。中科院也于当日在中国科大组织召开新闻发布会，全面深入解读该重大成果。 

　　量子纠缠被爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”，它是两个（或多个）粒子共同组成的量子状态，无论粒子之间相隔多远，测量其中一个粒子必然会影响其它粒子，这被称为量子力学非定域性。量子纠缠所体现的非定域性是量子力学最神奇的现象之一。量子纠缠分发是把制备好的两个纠缠粒子（通常为光子）分别发送到相距很远的两个点。通过观察两个点的统计测量结果是否破坏贝尔不等式，可以验证量子力学非定域性的存在。同时，利用量子纠缠所建立起的量子信道也是构建量子信息处理网络的基本单元。 

　　由于量子纠缠非常脆弱，会随着光子在光纤内或地表大气中的传输距离而衰减，以往的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。量子纠缠“鬼魅般的超距作用”在更远的距离上是否仍然存在？会不会受到引力等其它因素的影响？这些基本物理问题的验证都需要实现上千公里甚至更远距离的纠缠分发；另一方面，要实现广域的量子网络也自然要求远距离的纠缠分发。 

　　理论上有两种途径可以扩展量子纠缠分发的距离。一种是利用量子中继，尽管量子中继的研究在近些年已取得了系列重要突破，但目前仍然受到量子存储寿命和读出效率等因素的严重制约，无法实际应用于远程量子纠缠分发。另一种是利用卫星，因为星地间的自由空间信道损耗小，在远程量子通信中比光纤更具可行性，结合卫星的帮助，可以在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。 

　　潘建伟团队早在2003年就提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案，随后于2005年在国际上首次实现了水平距离13公里（大于大气层垂直厚度）的自由空间双向量子纠缠分发。2010年，该团队又在国际上首次实现了基于量子纠缠分发的16公里量子态隐形传输。2011年底，中科院空间科学先导专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年，潘建伟领导的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态，充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。随后，该团队经过艰苦攻关，克服种种困难，最终研制成功了“墨子号”量子科学实验卫星。卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空，经过四个月的在轨测试，2017年1月18日正式交付开展科学实验。星地量子纠缠分发作为卫星的三大科学实验任务之一，是国际上首次在空间尺度上开展的量子纠缠分发实验。 

　　“墨子号”量子科学实验卫星过境时，同时与青海德令哈站和云南丽江站两个地面站建立光链路，量子纠缠光子对从卫星到两个地面站的总距离平均达2000公里，跟瞄精度达到0.4 μrad。卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对，建立光链路可以以每秒1对的速度在地面超过1200公里的两个站之间建立量子纠缠，该量子纠缠的传输衰减仅仅是同样长度最低损耗地面光纤的一万亿分之一。在关闭局域性漏洞和测量选择漏洞的条件下，研究团队发现，获得的实验结果以4倍标准偏差违背了贝尔不等式，即在千公里的空间尺度上实现了严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。 

　　《科学》杂志几位审稿人称赞该成果是“兼具潜在实际现实应用和基础科学研究重要性的重大技术突破”，并断言“毫无疑问将在学术界和广大的社会公众中产生非常巨大影响”。 

　　除量子纠缠分发实验外，“墨子号”量子科学实验卫星的其它重要科学实验任务，包括高速星地量子密钥分发、地星量子隐形传态等目前也在紧张有序地进行中，预计今年会有更多的科学成果陆续发布。

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