從2003年萌發(fā)量子衛(wèi)星通信的想法，到2017年“墨子號(hào)”預(yù)定科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)全部完成，中國(guó)科學(xué)家經(jīng)過了14年的努力。從跟跑、并跑到領(lǐng)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(guān)的故事。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)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(shí)服務(wù)的量子通信網(wǎng)絡(luò)?？茖W(xué)家甚至可能將量子實(shí)驗(yàn)搬上月球，在地球和月球之間建立起超長(zhǎng)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(gè)瘋狂的設(shè)想”

1996年，從中國(guó)科大碩士畢業(yè)的潘建偉，前往奧地利攻讀博士學(xué)位。導(dǎo)師蔡林格見到他問的第一個(gè)問題是：“你的夢(mèng)想是什么？”潘建偉脫口而出：“我將來想在中國(guó)建一個(gè)像您這里一樣的實(shí)驗(yàn)室，世界一流的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室?！?/p>

1997年在蔡林格的實(shí)驗(yàn)室，潘建偉與同事首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了量子遠(yuǎn)程傳態(tài)，也稱量子隱形傳態(tài)。這一成果被認(rèn)為是量子信息實(shí)驗(yàn)研究的開山之作，直觀地向人們展示了量子力學(xué)的神奇。

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

2001年，在完成多個(gè)量子信息領(lǐng)域奠基性實(shí)驗(yàn)工作之后，31歲的潘建偉決定回國(guó)，在中國(guó)科大組建量子物理與量子信息實(shí)驗(yàn)室，獨(dú)立開展量子信息研究。

雖然是從零開始，但實(shí)驗(yàn)室在組建之初就得到中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)科大、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等機(jī)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(guó)際高水平期刊《物理評(píng)論快報(bào)》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(lán)圖變成現(xiàn)實(shí)。彼時(shí)，他有了“一個(gè)瘋狂的設(shè)想”——利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)。

通信安全是國(guó)家信息安全和人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活的基本需求。千百年來，人們對(duì)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(lǐng)域最接近實(shí)用化的一個(gè)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(luò)，是因?yàn)榈孛婀饬孔有盘?hào)的傳輸主要以光纖為信道，而光纖傳輸過程中信號(hào)損失相當(dāng)嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)表明，光纖傳輸?shù)牧孔油ㄐ判盘?hào)在200公里以外就幾乎被吸收殆盡。如果想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信傳輸，就必須建立多個(gè)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(hào)損耗非常小，利用量子衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)站，可以將多個(gè)城市的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，極大地延長(zhǎng)量子通信距離。

在本世紀(jì)初，該方向就已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界激烈角逐的焦點(diǎn)。誰能拔得頭籌，就意味著誰能占據(jù)量子通信的制高點(diǎn)。

“過去，我們?cè)诳蒲蓄I(lǐng)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(xiàng)目的設(shè)立都先要看看國(guó)際上有沒有人做過。量子信息是一個(gè)全新學(xué)科，我們必須學(xué)會(huì)和習(xí)慣做開拓者?！迸私▊フf。

潘建偉（前排中）實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在討論數(shù)據(jù)。

年輕的“先遣部隊(duì)”

要實(shí)現(xiàn)星地間量子糾纏分發(fā)，第一步就是要驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)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(dāng)時(shí)還是博士生的彭承志被潘建偉委以重任，“你工程能力強(qiáng)，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(guó)空間量子通信領(lǐng)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(shí)驗(yàn)，證實(shí)了量子糾纏在穿透大氣層后依然能夠保留。

這次實(shí)驗(yàn)結(jié)果給了潘建偉很大的信心。2006年，他鄭重地向中國(guó)科學(xué)院提出那個(gè)“瘋狂設(shè)想”，并得到了院黨組和主管部門的支持。

2007年，中國(guó)科學(xué)院超常規(guī)地啟動(dòng)了兩個(gè)知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目“遠(yuǎn)距離量子通信實(shí)驗(yàn)研究”和“空間尺度量子實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)與驗(yàn)證”。此后，在這兩大項(xiàng)目的支持下，潘建偉團(tuán)隊(duì)對(duì)自由空間量子實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量研究。

從2007年4月開始，他們?cè)诒本┌诉_(dá)嶺長(zhǎng)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(tái)，用兩年時(shí)間完成了16公里的自由空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。這是當(dāng)時(shí)世界上距離最遠(yuǎn)的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。

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(shí)驗(yàn)。這次，他們要模擬量子信號(hào)在星地間傳輸?shù)某邘缀螕p耗，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)就在青海湖中的小島“海心山”上。

然而，由于設(shè)備穩(wěn)定性差、技術(shù)不成熟等因素，這次實(shí)驗(yàn)一直沒能取得預(yù)期效果。加上海心山不對(duì)外開放，生活和交通都不方便。他們只得先行返回中國(guó)科大實(shí)驗(yàn)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(jiān)持到11月飄雪時(shí)節(jié)，最終在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)百公里級(jí)量子隱形傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)，充分驗(yàn)證了在高損耗的星地鏈路中實(shí)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(gè)月開船給大家送一次生活補(bǔ)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(shè)備用發(fā)電機(jī)所需的柴油。因?yàn)闆]有條件洗澡，大家裹軍大衣、蓬頭垢面是常態(tài)。”印娟說，這是一段艱苦又難忘的時(shí)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(shè)備安裝在吊車、卡車上，或者讓設(shè)備隨著熱氣球升空，甚至還利用飛機(jī)進(jìn)行了角速度模擬實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過一系列模擬實(shí)驗(yàn)，他們驗(yàn)證了高精度捕獲跟瞄技術(shù)、高靈敏能量分辨探測(cè)技術(shù)、星載量子光源技術(shù)等。

“上述實(shí)驗(yàn)都在2011年左右結(jié)束，系列實(shí)驗(yàn)成果在‘墨子號(hào)’立項(xiàng)論證過程中起到至關(guān)重要的作用，關(guān)鍵技術(shù)最終用在了‘墨子號(hào)’上?！迸私▊フf。

潘建偉說：“我們對(duì)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?cè)诿罎L打的實(shí)踐中得到成長(zhǎng)?！?/p>

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)協(xié)同攻關(guān)

2011年1月25日，潘建偉團(tuán)隊(duì)迎來一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)——中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“空間科學(xué)”，“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”等4顆科學(xué)衛(wèi)星入選。

2011年12月，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程立項(xiàng)綜合論證報(bào)告通過專家評(píng)審。中國(guó)科學(xué)院在北京召開會(huì)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(shè)的主要問題、工程的總體計(jì)劃安排。

量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心抓總負(fù)責(zé)；中國(guó)科大負(fù)責(zé)科學(xué)目標(biāo)的提出和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的研制；中國(guó)科學(xué)院上海微小衛(wèi)星工程中心（中國(guó)科學(xué)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(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所聯(lián)合中國(guó)科大研制有效載荷分系統(tǒng)；中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心牽頭負(fù)責(zé)地面支撐系統(tǒng)研制、建設(shè)和運(yùn)行，對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心等單位參與。（記者王敏）

（未完待續(xù)）

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