“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。
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。
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。
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寧一本。
而他身邊的學生,更是人手一本。
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。
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,更是為了一箇中國夢。
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”。
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,他就一直在腦海裡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。
其實從過去摩斯電碼到電報、傳真、再到移動電話、網絡通信,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。
注: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。
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,只有埋頭幹,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”。
而行至今日,潘建偉團隊也在成長過程中收穫一系列驚豔的成功,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,沒有任何可以借鑑的成功經驗。
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。
到2017年8月10日,“墨子號”也宣佈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絡。
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。
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,這些信息洩漏的嚴重後果,大家也有目共睹。
現在有報道的全球範圍內,因為個人隱私洩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。
陳宇翱.擔心信息洩露?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.2014.12.1
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