從2003年萌發(fā)量子衛(wèi)星通信的想法，到2017年“墨子號”預定科學實驗任務全部完成，中國科學家經(jīng)過了14年的努力。從跟跑、并跑到領跑的漂亮“沖刺”背后，是他們追求原創(chuàng)、銖積寸累、協(xié)同攻關的故事。

中國科學院院士、中國科學技術大學（以下簡稱“中國科大”）教授潘建偉介紹，不久的將來，星空上還將出現(xiàn)“量子星座”，形成覆蓋全球、全天時服務的量子通信網(wǎng)絡?？茖W家甚至可能將量子實驗搬上月球，在地球和月球之間建立起超長的量子糾纏分發(fā)，更加深入地探索量子物理基本原理。

“一個瘋狂的設想”

1996年，從中國科大碩士畢業(yè)的潘建偉，前往奧地利攻讀博士學位。導師蔡林格見到他問的第一個問題是：“你的夢想是什么？”潘建偉脫口而出：“我將來想在中國建一個像您這里一樣的實驗室，世界一流的量子光學實驗室?！?/p>

1997年在蔡林格的實驗室，潘建偉與同事首次在國際上實現(xiàn)了量子遠程傳態(tài)，也稱量子隱形傳態(tài)。這一成果被認為是量子信息實驗研究的開山之作，直觀地向人們展示了量子力學的神奇。

隨后，量子信息在國際上蓬勃發(fā)展。潘建偉在與量子“糾纏”的同時，首先想到的是立足國內(nèi)。然而，那時國內(nèi)的量子信息研究幾乎一片空白，不僅少有人懂，有時甚至還被認為是“偽科學”。

2001年，在完成多個量子信息領域奠基性實驗工作之后，31歲的潘建偉決定回國，在中國科大組建量子物理與量子信息實驗室，獨立開展量子信息研究。

雖然是從零開始，但實驗室在組建之初就得到中國科學院、中國科大、國家自然科學基金委員會等機構(gòu)的大力支持，所以發(fā)展非?？?。僅2003年一年，潘建偉研究組就作為第一單位在國際高水平期刊《物理評論快報》發(fā)表7篇論文。

但潘建偉想做的事不只是發(fā)論文，他還要把論文中的藍圖變成現(xiàn)實。彼時，他有了“一個瘋狂的設想”——利用衛(wèi)星實現(xiàn)遠距離量子糾纏分發(fā)。

通信安全是國家信息安全和人類經(jīng)濟社會生活的基本需求。千百年來，人們對通信安全的追求從未停止。量子通信作為目前唯一已知的信息論可證的安全傳輸方式，可以大幅提高信息安全水平，也是量子信息領域最接近實用化的一個方向。

潘建偉介紹，之所以需要發(fā)射衛(wèi)星來建立天地間量子通信網(wǎng)絡，是因為地面光量子信號的傳輸主要以光纖為信道，而光纖傳輸過程中信號損失相當嚴重。實驗表明，光纖傳輸?shù)牧孔油ㄐ判盘栐?00公里以外就幾乎被吸收殆盡。如果想實現(xiàn)遠距離量子通信傳輸，就必須建立多個需要人為保障安全的可信中繼站，這無疑增加了信息被竊取的概率。

而外太空幾乎是真空，光信號損耗非常小，利用量子衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)站，可以將多個城市的城域量子通信網(wǎng)絡連接起來，極大地延長量子通信距離。

在本世紀初，該方向就已成為國際學術界激烈角逐的焦點。誰能拔得頭籌，就意味著誰能占據(jù)量子通信的制高點。

“過去，我們在科研領域常常扮演追隨者和模仿者的角色，研究方向的選定、科研項目的設立都先要看看國際上有沒有人做過。量子信息是一個全新學科，我們必須學會和習慣做開拓者?！迸私▊フf。

潘建偉（前排中）實驗團隊在討論數(shù)據(jù)。

年輕的“先遣部隊”

要實現(xiàn)星地間量子糾纏分發(fā)，第一步就是要驗證實驗發(fā)出的光子能否穿透等效厚度為10公里的大氣層。

2003年，當時還是博士生的彭承志被潘建偉委以重任，“你工程能力強，大膽去試試”。潘建偉還建議他“可以到大蜀山去做”。

一年后，彭承志與同事在安徽合肥大蜀山完成了中國空間量子通信領域的“開山之作”——全球首次13公里自由空間量子糾纏分發(fā)和量子通信實驗，證實了量子糾纏在穿透大氣層后依然能夠保留。

這次實驗結(jié)果給了潘建偉很大的信心。2006年，他鄭重地向中國科學院提出那個“瘋狂設想”，并得到了院黨組和主管部門的支持。

2007年，中國科學院超常規(guī)地啟動了兩個知識創(chuàng)新工程重大項目“遠距離量子通信實驗研究”和“空間尺度量子實驗關鍵技術與驗證”。此后，在這兩大項目的支持下，潘建偉團隊對自由空間量子實驗關鍵技術進行了大量研究。

從2007年4月開始，他們在北京八達嶺長城附近和河北省張家口市懷來縣古城遺址之間搭起通信平臺，用兩年時間完成了16公里的自由空間量子隱形傳態(tài)實驗。這是當時世界上距離最遠的量子隱形傳態(tài)實驗。

2009年，正在讀博士的印娟與同事一起在海拔3200米以上的青海湖搭帳篷、做實驗。這次，他們要模擬量子信號在星地間傳輸?shù)某邘缀螕p耗，實驗點就在青海湖中的小島“海心山”上。

然而，由于設備穩(wěn)定性差、技術不成熟等因素，這次實驗一直沒能取得預期效果。加上海心山不對外開放，生活和交通都不方便。他們只得先行返回中國科大實驗室，重新調(diào)整方案。

2010年，印娟等人滿懷信心再上青海湖，從6月盛夏堅持到11月飄雪時節(jié)，最終在國際上首次實現(xiàn)百公里級量子隱形傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)，充分驗證了在高損耗的星地鏈路中實現(xiàn)量子通信的可行性。

“在小島上，青海湖管理局的工作人員每個月開船給大家送一次生活補給，比如土豆、雞蛋這些好保存的食材，以及飲用水，最重要的是設備用發(fā)電機所需的柴油。因為沒有條件洗澡，大家裹軍大衣、蓬頭垢面是常態(tài)?！庇【暾f，這是一段艱苦又難忘的時光。

駐守在海心山上的研究人員。

緊接著，他們又模擬了衛(wèi)星-地面之間的量子通信。他們想了很多辦法，如把設備安裝在吊車、卡車上，或者讓設備隨著熱氣球升空，甚至還利用飛機進行了角速度模擬實驗。經(jīng)過一系列模擬實驗，他們驗證了高精度捕獲跟瞄技術、高靈敏能量分辨探測技術、星載量子光源技術等。

“上述實驗都在2011年左右結(jié)束，系列實驗成果在‘墨子號’立項論證過程中起到至關重要的作用，關鍵技術最終用在了‘墨子號’上?！迸私▊フf。

潘建偉說：“我們對年輕人的態(tài)度就是，只要能干、愿意干，就放手讓他們?nèi)ジ?，讓他們在摸爬滾打的實踐中得到成長?！?/p>

聯(lián)合團隊協(xié)同攻關

2011年1月25日，潘建偉團隊迎來一個關鍵轉(zhuǎn)折點——中國科學院啟動戰(zhàn)略性先導科技專項“空間科學”，“量子科學實驗衛(wèi)星”等4顆科學衛(wèi)星入選。

2011年12月，量子科學實驗衛(wèi)星工程立項綜合論證報告通過專家評審。中國科學院在北京召開會議，審議了工程總體方案及六大系統(tǒng)總體方案的可行性，明確了工程研制建設的主要問題、工程的總體計劃安排。

量子科學實驗衛(wèi)星工程由中國科學院國家空間科學中心抓總負責；中國科大負責科學目標的提出和科學應用系統(tǒng)的研制；中國科學院上海微小衛(wèi)星工程中心（中國科學院上海微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院前身）抓總研制衛(wèi)星系統(tǒng)，中國科學院上海技術物理研究所聯(lián)合中國科大研制有效載荷分系統(tǒng)；中國科學院國家空間科學中心牽頭負責地面支撐系統(tǒng)研制、建設和運行，對地觀測與數(shù)字地球科學中心等單位參與。（記者王敏）

（未完待續(xù)）

責任編輯：魏敏