这次中国领先于全世界,率先进入了量子通信领域

这次中国领先于全世界,率先进入了量子通信领域

“鬼魅般的超距作用”,爱因斯坦是这样形容量子纠缠的。

 

在量子物理的世界中,两个或以上处于纠缠态的粒子无论相隔多远,都能“感知”和影响对方的状态。

 

这次中国领先于全世界,率先进入了量子通信领域

虽然一百多年来,物理学家对量子纠缠争论不休。

但它的这种神奇特性,却也一次次被实验证实。

而在此基础上,量子纠缠也被挖掘出了应用于保密通信上的价值,即量子通信。

它是目前唯一被证明,无法被窃听、绝对安全的保密通信手段。

 

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“墨子”号发射现场

然而当其他人都停留在理论实验阶段时,我国却率先将其应用到了实际中。

这神秘了100多年的量子物理,终于派上了用场,走进了人们的实现。

2016年8月16日,全球首颗量子科学实验卫星“墨子”号在中国酒泉卫星发射中心发射成功。

这次中国领先于全世界,率先进入了量子通信领域。

 

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这么多年来,中国的全面腾飞是全世界有目共睹的。

但我国在前沿科学上,却一直远远落后于欧美。

 

今天,中国已经成为这重要科学领域的世界领头羊。

 

而在全球领先的“墨子”号背后,也始终有一个默默耕耘的身影。

他就是中国量子通信之父——潘建伟

 

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潘建伟

1970年,潘建伟出生于浙江东阳市。

其父母虽然都是教师,但他们对潘建伟实施的教育方案,却总是讲求“无为而治”

 

所以他从小都不会被逼着学这学那,颇为随性自由。

不过到了初中,家搬到了县城后,潘建伟就开始感受到压力了。

 

从农村毕业的他,就因语文和英语基础薄弱而吃尽了苦头。

“第一次写作文,老师只给了40分”,这令身为班长的自己感到无比羞愧。

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潘建伟与两个姐姐的合影

 

但潘建伟天性乐观,就是有种不认输的精神。

为了把英语学好,他经常把同学请到家里来,又或是专门向老师请教。

 

很快,他就以神速的进步,弥补了过去薄弱的基础。

到中学毕业时,他还是拿了全年级第一名。

 

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1996年,潘建伟与导师张永德教授

而在循序渐进的学习中,潘建伟也发现了自己对物理的热爱。

为了能在大学继续研究物理,他甚至放弃了保送浙江大学热门专业的“金门票”。

17岁,他也终于如愿以偿考进中国科技技术大学的近代物理系。

 

在那个“搞原子弹不如卖茶叶蛋”的年代,潘建伟是一头扎进了别人认为没前途的基础物理研究。

 

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在大学时期,和许多物理爱好者一样,潘建伟一直就将爱因斯坦列为偶像。

他热爱阅读《爱因斯坦文集》,总喜欢随身携带着文集的第一卷。

 

那时,中科大的同学还为潘起了个绰号为“伯特”,因为“阿尔伯特”正是爱因斯坦的名字。

 

后来在参加节目《开讲啦》之前,他还专程托人送给了主持人撒贝宁一本。

而他身边的学生,更是人手一本。

 

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潘建伟在节目《开讲啦》现场

 

不过与大多数人不同的是,潘建伟更喜欢用行动来拉近自己与爱因斯坦的距离,而不仅仅是崇拜。

 

____________

 

在中科大,潘建伟第一次接触到量子理论,就被其诡谲深深地吸引住了。

当时沉浸在量子世界不能自拔的潘建伟,甚至还差点因疏于功课而挂科。

 

而在这之后,他也一直深耕在量子理论这片土地上。

 

只是随着研究的深入,潘建伟越发感觉到,量子理论中的各种疑案,需要更尖端的实验技术才能得以验证。

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因斯布鲁克大学(Innsbruck University)

 

但当时在国内,这方面的水平还是一言难尽,比较落后的。

所以,本没有出国打算的潘建伟,选择了留学这条路。

不过,这次出国留学他不只为了自己的梦想,更是为了一个中国梦。

来到奥地利因斯布鲁克大学,导师塞林格(Anton Zeilinger)就问他:“你的目标是什么?”。

 

潘建伟也坦露了自己心声:“我想要在中国,建一个和您实验室一样世界领先的量子物理实验室”。

 

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塞林格(Anton Zeilinger)

潘建伟一直用行动践行着这个承诺,也对得起当初的野心。

 

刚进塞林格教授门下攻读博士学位,他就一直在脑海里酝酿着一个对量子态进行隐形传输的实验方案。

 

所谓量子态隐形传输,就是利用“量子纠缠”的一种全新通信方式,也称量子通信。

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量子纠缠理论认为,两个相互纠缠的电子对即使一个地球一个在月球。

只要你观测到了其中一个电子的状态,另一个电子也会瞬间产生相同的改变。

而利用这种“鬼魅般的超距作用”,量子通信便可以将另一个粒子的未知量子态传送到遥远的地点,而不用传送这个粒子本身。

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量子隐形传态科普版,图片来源:刘琪

 

其实从过去摩斯电码到电报、传真、再到移动电话、网络通信,其信息安全的隐患都是一直存在的。

而在量子通信则因其不可被分割、无法被克隆等特性*,做到不可被窃取与绝对安全。

 

注:首先,光量子是不可被分割的,已是光能量的最小单位了。所以窃听者无法采用将光子分成两半的方式(一半用于获取密钥,一半用于传输给接收方避免被发现)窃取信息。而且,光量子还具有无法克隆性。原因是光量子本身是无法准确测量,所以窃听者就无法通过准确测量光子,克隆出一个一模一样的光子以获取信息。换句话说,就是在量子通信传输信息的过程中,信息一旦被窃取,就一定会被发现。

 

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当时钻研了一个月,觉得这方案成熟后了,潘建伟便向小组报告了自己的设想。

岂料报告结束后,全组人竟无一人应答。

 

正当潘建伟诧异之时,导师塞林格过了好半天才为他解开了疑惑:

“潘,你不知道这就是量子态隐形传输的理论方案吗?另外一个小组就正在准备这个实验!”

 

潘建伟确实不知道。

但这也正中其下怀,很快他便主动请缨加入该实验组。

而这一请求,也悄然改变了潘建伟今后的命运。

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目前被引用次数为4916

 

一年后的1997年,该小组便在Nature上发表了一篇题为《实验量子隐形传态》(Experimental quantum teleportation)的论文。

 

当时,27岁的潘建伟正是第二作者。

 

随后,他与同事又先后在国际上首次完成了量子纠缠交换,三光子、四光子纠缠及其非定域性检验,量子纠缠纯化等重要实验。

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在国外耕耘多年,潘建伟也觉得差不多该回国实现当初的设想了。

但刚博士毕业的潘建伟也明白,想要在中国将这颗量子的种子埋下实属不易。

 

那时,国内的量子信息研究依然是一张白纸,不仅少有人懂,有时候还会被认为是“伪科学”。

 

每次他提到此设想,别人总是要问他“这个东西国外有没在搞?”“到底靠谱不靠谱?”

在这种情况下,想要申请到国内科研经费自然难于上青天。

 

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不过天无绝人之路。

原来他在1997年在Nature上发表的论文,恰好在1999年被评为“百年物理学21篇经典论文”

 

这个实验,也被公认为量子信息实验领域的开山之作

 

值得一提的是,与该成就并列的还包括琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等。

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这阵容强大得惊人。

潘建伟也以这种特殊的方式,向自己素未谋面的“导师”爱因斯坦致敬。

 

很快,这个消息就传到了国内,潘建伟的名字也一炮而红。

时来运转,他提交的科研项目,也终于获得了支持。

拿着700万资金,潘建伟便开始在母校中科大着手组建实验室。

 

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然而在这种情况下,质疑声依然挥之不去。

有人甚至说他是“假回国、真骗钱”。

 

对于如此诛心的质疑,潘建伟并没有呈口舌之快。

他能够做的,只有埋头干,尽快拿出成绩。

 

毕竟做出科研成果,才是对抗这众多质疑声的最有力反击。

 

果然,在不到一年的时间,他的研究组就在世界权威杂志《物理评论快报》上发表了7篇论文。

而当时国内高校,在该杂志上一年也发不了几篇。

 

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其实,当时国内量子信息领域的研究水平和人才储备都是很薄弱的。

想要实现实验室的从无到有,还需要一番积淀。

而为了不与世界脱节,潘建伟也过上了“候鸟”般的生活,国内外两头跑。

到2009年,完成了技术和人才的积累后,潘建伟才决定“是时候彻底搬家了”。

 

辞去国外的职位后,潘建伟便将国外的实验室整个迁回了中科大。

“搬家的清单足足列了120页,大到激光器,小到12毫米的镜片,全部搬回国了。”

 

而当初由潘建伟“量身定制”送往海外顶尖实验室的年轻人,也在他的预期内陆续回国,组成了现在的“潘之队”

 

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潘建伟领衔的量子科学研究团队

 

而行至今日,潘建伟团队也在成长过程中收获一系列惊艳的成功,屡创世界第一。

 

首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输;

首次实现16公里自由空间量子态隐形传输;

首次实验实现了八光子薛定谔猫态;

利用八光子纠缠,首次实验实现了拓扑量子纠错;

首次实验实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发;

首次实现多自由度量子隐形传态,这也被英国物理学会(Physics World)评为“2015年度十大物理学突破”......

 

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但在这诸多成就中,最让潘建伟自豪的,当然还是2016年全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”。

这也标志着世界首次实现了卫星和地面之间的量子通信

 

而在这之前,没有任何可以借鉴的成功经验。

从过去模仿,到现在独创,这世界第一颗量子卫星的发射,给了我国科学家极大的自信。

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Science封面上的“墨子”号

 

到2017年8月10日,“墨子号”也宣布完成了三大科学实验任务:量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态。

 

随后,它将与“京沪干线”一同构建起我国天地一体化广域量子通信网络。

这也意味着,将来我国国防、政务、金融、商业等领域,信息都将得到绝对的保密与安全。

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2017年潘建伟被评为《NATURE》年度十大科学人物

其实随着量子通信技术逐步走向实用化,国际上,信息安全领域的竞争也将日益激烈。

从U盘有“后门”,到“斯诺登”事件,再到大家以为很安全的海底光缆都可以通过潜艇窃听。

无论个人隐私,还是国家安全,这些信息泄漏的严重后果,大家也有目共睹。

现在有报道的全球范围内,因为个人隐私泄露所造成的经济损失,已经达上千亿美元。

而量子通信,正是当前被证明无条件、“绝对”安全的通信手段。

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可以毫不夸张地说,在未来没有量子通信的国家,其信息安全在别国看起来就等同于透明。

而没有信息安全,也就意味着没有国家安全。

 

在过去传统的信息安全领域,中国一直落后于他国。

但自从“潘之队”成立后,我国至少在全球量子通信领域成为了领头羊。

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在国际形势严峻的当下,各国纷争不断。

中美贸易战争打响后,便不断持续升级。

 

而中兴事件也仿佛给了中国当头一喝,让人感触良多。

人民日报评论道:只有把核心技术掌握在自己的手中,才能真正掌握竞争和发展的主动权。

所以在未来,我们仍需要,稳步保持这领先地步。

2018年3月,在全国两会期间,潘建伟也表示:

“期盼在我有生之年,能亲眼看见以量子计算为终端、以量子通信为安全保障的量子互联网的诞生。”

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量子力学最大的神秘之一,就是测量的本质谁也不知道。

就像薛定谔的猫,你没打开箱子之前,永远不知道猫的状态。

 

科学最大的魅力,就在于一切皆有可能,而中国的未来更是如此。

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  • 文本由 发表于 2018年4月25日21:29:34
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