就像是一個(gè)隱喻，來自中國的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星從太空發(fā)出兩道紅色的光，看上去像極了漢字里大寫的“人”字，這幅景象被當(dāng)作“封面”，刊印在6月17日的美國知名學(xué)術(shù)期刊雜志《科學(xué)》上。這一次中國科學(xué)站到了世界面前，而且是挺直腰桿，站在了最前沿。
6月16日，中國量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副校長潘建偉院士在媒體的閃光燈下宣布：中國率先實(shí)現(xiàn)了“千公里級”的星地雙向量子糾纏分發(fā)，打破了此前國際上保持多年的“百公里級”紀(jì)錄，回答了愛因斯坦關(guān)于量子力學(xué)的“百年之問”。
中國量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。 資料圖片
贊譽(yù)、解讀、報(bào)道紛至沓來——
《科學(xué)》雜志審稿人稱該成果是“兼具潛在實(shí)際現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué)研究重要性的重大技術(shù)突破”，并斷言“毫無疑問將在學(xué)術(shù)界和廣大的社會(huì)公眾中產(chǎn)生非常巨大影響”。
美國波士頓大學(xué)量子技術(shù)專家謝爾吉延科評價(jià)：這是一個(gè)英雄史詩般的實(shí)驗(yàn)，中國研究人員的技巧、堅(jiān)持和對科學(xué)的奉獻(xiàn)應(yīng)該得到最高的贊美與承認(rèn)。
在中科院新聞發(fā)布當(dāng)天，潘建偉沒有刻意掩飾自己的激動(dòng)，他說：“這是我這輩子目前為止，做過的最好的科學(xué)成果。”
盡管對他和他的團(tuán)隊(duì)來說，所謂領(lǐng)跑，或是創(chuàng)造世界紀(jì)錄，早已是家常便飯——
就在一個(gè)月前，潘建偉團(tuán)隊(duì)研發(fā)的世界上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)問世。再往前，2003年，潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了四光子糾纏態(tài)——一個(gè)量子糾纏研究領(lǐng)域基礎(chǔ)性工作，此后多年，該團(tuán)隊(duì)又先后實(shí)現(xiàn)五光子、六光子、八光子、十光子糾纏，一直保持著多光子糾纏的世界紀(jì)錄，并頻頻引來學(xué)界和媒體的關(guān)注。
英國《自然》雜志在報(bào)道潘建偉團(tuán)隊(duì)量子通信研究成果時(shí)就提到：這標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美。
如今，以量子衛(wèi)星最新實(shí)驗(yàn)為代表的成果，讓中國再次挺進(jìn)量子研究世界版圖的中心。屬于中國的量子時(shí)間似乎正在到來。
“世紀(jì)之問”：全球大國新博弈
人類之所以愛上科學(xué)，很大程度上在于它能夠探索未知，滿足我們的好奇心。如今，一個(gè)不難描述的未知問題擺在人類面前——
在人類肉眼看不到的微觀世界中，事物究竟是以“概率”而存在的，還是“確定”存在的？舉個(gè)關(guān)于足球的例子，在宏觀世界，我們可以確定地知道它究竟在哪個(gè)點(diǎn)，但在微觀世界，一個(gè)足球就相當(dāng)于一個(gè)粒子，人們似乎只能判斷它出現(xiàn)在足球場某個(gè)點(diǎn)的概率，卻無法確切地知道它究竟在哪里。
量子力學(xué)正是微觀世界“概率論”的最大支持者。量子論里有一種特性，即量子糾纏，簡單來說，兩個(gè)處于糾纏狀態(tài)的量子，就像有“心靈感應(yīng)”，無論這些粒子之間相隔多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子發(fā)生變化，另外的粒子也會(huì)即刻“感知”，隨之發(fā)生變化。
不過，愛因斯坦并不買賬，并譏諷這個(gè)現(xiàn)象為“幽靈般的超距作用”。也因此，他和波爾等科學(xué)巨擘為此展開激烈爭論，并留下一個(gè)“世紀(jì)年之問”：上帝擲骰子嗎？換言之，微觀世界都是由“概率”決定存在的嗎？
全球相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家，甚至是一些執(zhí)政者都為這個(gè)問題著迷。因?yàn)椋坏┻@種特性得到最終驗(yàn)證，就有一個(gè)最為直接的應(yīng)用，即通過量子糾纏所建立起來的量子信道不可破譯，成為未來保密通信的“終極武器”。
按照潘建偉的說法，要讓量子通信實(shí)用化，需要實(shí)現(xiàn)量子糾纏的“遠(yuǎn)距離”分發(fā)。一代又一代學(xué)者接力走下來，人類似乎遭遇了“瓶頸”：由于量子糾纏“太脆弱”，會(huì)隨著光子在光纖內(nèi)或地表大氣中的傳輸距離而衰減，以往的實(shí)驗(yàn)只停留在“百公里”量級的距離。
潘建偉粗略地測算過，使用光纖進(jìn)行量子分發(fā)，傳輸“百公里”距離，損耗已達(dá)99%；傳輸“千公里”的距離，每送1個(gè)光子大約需要3萬年，“這就完全喪失了通信的意義”。
于是，一場大國間的“量子通信”競賽就此出現(xiàn)，誰先沖到“千公里”的距離，似乎就能在這場賽跑中領(lǐng)先。潘建偉說：“大家不斷地去‘拉長’這個(gè)距離，以此來驗(yàn)證量子糾纏的原理，步步逼近量子通信的實(shí)用目標(biāo)。”
“彎道超車”：中國在太空領(lǐng)跑
事實(shí)上，在量子物理學(xué)誕生的一百多年里，有關(guān)研究始終長盛不衰。但是，在只爭朝夕的國際科研競爭前幾十年，一直難見到中國人的身影。起步晚，是中國人甩不掉的標(biāo)簽，但這并不妨礙我們“彎道超車”。
2003年，潘建偉團(tuán)隊(duì)開始實(shí)驗(yàn)“長距離”量子糾纏，從13公里到100公里，從追趕走向超越。2012年8月9日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志以封面標(biāo)題形式發(fā)表了潘建偉團(tuán)隊(duì)的研究成果：他們在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了“百公里”量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。
這一成果不僅刷新世界紀(jì)錄，有望成為遠(yuǎn)距離量子通信的里程碑，而且為發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星即如今的“墨子號(hào)”奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。同年12月6日，《自然》雜志為該成果專門撰寫了長篇新聞特稿《數(shù)據(jù)隱形傳輸：量子太空競賽》，詳細(xì)報(bào)道了這場激烈的量子太空競賽。
又過了4年，潘建偉團(tuán)隊(duì)通過發(fā)射“墨子號(hào)”衛(wèi)星，將“量子糾纏”的實(shí)驗(yàn)距離拉到“1200公里”，把科學(xué)家一直假想的實(shí)驗(yàn)變成了現(xiàn)實(shí)，也讓中國量子在太空中領(lǐng)跑全球。
加拿大滑鐵盧大學(xué)量子技術(shù)專家延內(nèi)魏因說，國際上確實(shí)存在量子科研競賽。“中國團(tuán)隊(duì)已克服了好幾個(gè)重大技術(shù)與科學(xué)挑戰(zhàn)，清楚地表明了他們在量子通信領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。”
相應(yīng)地，類似的實(shí)驗(yàn)，歐盟、加拿大、日本都有科學(xué)家在呼吁和推進(jìn)。但或因技術(shù)積累不夠，或因資金支持不夠，目前進(jìn)展緩慢。
以美國為例，2015年美國航空航天局宣布一項(xiàng)計(jì)劃：在其總部與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之間建立一個(gè)直線距離600千米、光纖皮長1000千米左右、10個(gè)中轉(zhuǎn)基站的遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線，并計(jì)劃拓展到星地量子通信。不過，目前該計(jì)劃尚未有實(shí)際進(jìn)展的最新消息。
2015年年末，英國政府發(fā)布的《量子時(shí)代的技術(shù)機(jī)遇》報(bào)告顯示，中國在量子科技的論文發(fā)表上排在全球第一、專利應(yīng)用排名第二。在“第二次量子革命”的起步階段，中國異軍突起進(jìn)入“領(lǐng)跑陣營”。
如今，在最新量子太空競賽中，中國“墨子號(hào)”再次獨(dú)占鰲頭，第一個(gè)沖過“千公里”量級的跑線。參與這次實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)地面站分別是青海德令哈站和云南麗江高美古站，兩站距離1203公里。有評論稱，發(fā)射后僅僅數(shù)月，世界上首顆量子通信衛(wèi)星就已經(jīng)達(dá)到了它最具雄心的目標(biāo)之一，量子通信向?qū)嵱眠~出一大步。
異軍突起：體制機(jī)制做后盾
潘建偉不止一次地被問到：中國這一次為何得以領(lǐng)先歐美國家？
而他的回答，往往是“集中力量辦大事”，有賴于中國“大科學(xué)”項(xiàng)目建設(shè)的高效性。
潘建偉說，這項(xiàng)成果是由一個(gè)“大團(tuán)隊(duì)”做出的。在中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，他和他的同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)、國家空間科學(xué)中心等單位合作完成。
如此列舉，并非只是在“功勞簿”上寫上一筆。
潘建偉說，一切進(jìn)展順利時(shí)，大家也許意識(shí)不到，但一旦遇到磕磕碰碰，就能深切地意識(shí)到“某些環(huán)節(jié)或某個(gè)機(jī)構(gòu)的不可或缺性”。他的一些歐洲、美國、加拿大同行，也曾有過類似的科學(xué)設(shè)想，但沒有類似團(tuán)隊(duì)的全力支持，只能作罷。
比如，量子信息實(shí)驗(yàn)研究的先驅(qū)者、著名物理學(xué)家Anton Zeilinger 研究組以及歐洲眾多的優(yōu)秀研究團(tuán)隊(duì)一直在與歐洲空間局商討建立以國際空間站為平臺(tái)的星地量子通信計(jì)劃。然而，歐空局緩慢的決策機(jī)制使得這一計(jì)劃一再拖延。
而在我國，早在2003年，潘建偉就向中科院提出利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的方案。在當(dāng)時(shí)的中科院內(nèi)部，這個(gè)“聞所未聞的想法”并非沒有收到質(zhì)疑的聲音，甚至有人說，“潘建偉瘋了”！
不過，中科院最終咬牙批給了潘建偉團(tuán)隊(duì)100多萬元——這在14年前可是一筆“相當(dāng)大”的科研經(jīng)費(fèi)。
那時(shí)，有一個(gè)叫彭承志的，還是一頭黑發(fā)的年輕小伙，如今卻已是頭發(fā)花白的量子衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的教授，也是這次“千公里”量級重要成果的主要完成人之一。
據(jù)他回憶，2003年，潘建偉找到還是博士生的他，向他描述量子通信的前景。他問潘建偉：“這個(gè)事，是不是挺牛的？”
潘建偉說：“是世界上最牛的，至少是之一”。
“作為一個(gè)年輕人能夠做這樣一件事情，我沒有理由拒絕。”彭承志說。
按照潘建偉的說法，他從中國科大的研究起步，把人才布局輻射奧地利因斯布魯克、英國劍橋、德國馬普量子光學(xué)所……2008年，他帶領(lǐng)在德國的團(tuán)隊(duì)整體回歸中國科大，分布在世界各地的年輕學(xué)者也陸續(xù)回國，一支由他領(lǐng)銜、以陳宇翱、陸朝陽、張強(qiáng)、趙博等為代表的世界級研究團(tuán)隊(duì)“橫空出世”。
如今，14年過去，“千公里”量級的關(guān)卡闖了過去，這支團(tuán)隊(duì)正朝著“30萬公里”的終極距離去努力，繼續(xù)檢驗(yàn)量子力學(xué)。未來，還有可能和探月工程結(jié)合，到月球上做實(shí)驗(yàn)。
不過，潘建偉這位年僅47的院士仍有著“嚴(yán)重的危機(jī)感”。他說，沒做成的時(shí)候有很多懷疑，現(xiàn)在花了這么多時(shí)間做成了，國際上都紛紛表示要“盡可能趕上”。
正如一位美國同行所說，雖然第一艘宇航飛船和第一個(gè)人造衛(wèi)星都是蘇聯(lián)做出來的，但登月，美國卻是第一個(gè)。他們覺得只要努力，就可以在量子領(lǐng)域趕超中國。
“所以，我們不敢懈怠。”潘建偉說。
本報(bào)北京6月18日電
來源：http://www.chinanews.com/gn/2017/06-19/8254277.shtml
