《自然》文章：数据隐形传输，量子太空竞赛

夏凉

三年前，潘建伟将星际旅行带到了中国长城。从位于北京北部丘陵的长城附近实验点，他和他的团队——来自合肥的中国科学技术大学的物理学家们，将激光瞄准16公里之外的屋顶上的探测器，然后利用激光光子的量子特性将信息“瞬移”过去。这刷新了当时量子隐形传态的世界纪录，这是朝着实现团队的终极目标——将光子信息隐形传送到卫星——迈进的重要一步。

/ d$ N' b$ b4 Y8 N) s1 b7 T如果这一目标实现，第一个“量子互联网”将连接成功，这个网络将是运用亚原子尺度物理规律创建的一个超级安全的全球通信网络。这也标志着中国在量子领域的崛起，从十年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅。2016年，中国将领先欧洲和北美，发射一颗量子科学实验卫星。这将为物理学家提供一个测试量子理论基础以及探索如何融合量子理论与爱因斯坦广义相对论的全新平台。
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这也将标志着潘建伟与维也纳大学的物理学家塞林格的友好友谊（虽然存在激烈竞争）达到高峰。塞林格曾是潘建伟的博士导师；随后7年，二人在远距离量子隐形传态研究的赛跑中棋逢对手；目前他们又建立了合作关系。一旦卫星发射，两位物理学家将创建了第一个洲际量子加密网络，通过卫星连接亚洲和欧洲。“我们中国有句老话，一日为师终生为父，”潘说，“科研上，塞林格和我平等合作，但在情感上我一直把他当作我尊敬的长辈。”
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迅速崛起

$ J* P7 k2 K8 j$ y2001年，潘建伟建立了中国第一个光量子操纵实验室；2003年，他提出了量子卫星计划。那时的他才30岁出头。2011年，41岁的潘建伟成为当时最年轻的中科院院士。潘小组的成员陈宇翱说：“他几乎单枪匹马地推进这个项目，并使中国在量子领域有了立足之地。”

潘建伟的动力要追溯到上世纪80年代后期他在中国科学技术大学读本科的时候，他第一次接触到了原子领域一些奇怪的概念。微观客体可以处于多个状态的迭加态：例如，一个粒子可以同时处在顺时针自旋状态和逆时针自旋状态，或者可以同时存在于两个地方。这种多重的个性在数学上用波函数来描述，波函数给出了粒子处于每个状态的概率。只有在粒子的某一特性被测量时，波函数才会坍塌，相应的粒子才会处于一个确定地点的确定状态。至关重要的是，即使在原则上都无法预言单次实验的结果，粒子处于每个状态的概率仅表现为一个统计分布，并且只有通过多次重复实验才能得到。
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5 P* h- z) Z) L! X' e由于量子纠缠特性，当考虑两个或更多个粒子时，情况变得更加古怪了。多粒子系统可以被制备到某种状态：即使粒子间距离遥远，即使粒子的物理性质仅当其被测量时才会存在确定的值，对于每个粒子某个物理性质的测量结果之间总是会存在某种关联性。这种怪异性就好比分别位于维也纳和北京的两位物理学家同时掷硬币，他们会发现每次结果都是正面朝上或者都是反面朝上。“我对这些奇怪的量子特性感到着迷，”潘建伟说，“它们几乎使我无法分心去学习其它东西。”他想验证这些不可思议的理论，但是在当时的中国找不到合适的量子物理实验室。
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当时像潘建伟这样处于萌芽阶段的中国物理学家的正常发展之路就是去美国深造——对他们而言这个过程再自然不过了，事实上，当时很多中国科大学子戏言他们学校的缩写“USTC”其实是“United States Training Centre”（美国人才培训中心）之意。但潘建伟只想拜量子实验大师为师，对于他来说，这位实验大师就是塞林格。
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1989年，塞林格曾经与两位物理学家——现纽约市立大学的物理学家丹尼尔•格林伯格和现马萨诸塞州伊斯顿斯通希尔学院的米切尔•霍恩——合作发现了关于三个或更多粒子纠缠的一个重要定理。这项工作不仅对于该领域而言还是对于赛林格而言都是一个转折点。“在各种会议上，我意识到一些非常著名的年长的物理学家们开始把我看作量子专家了。”20世纪90年代中期，塞林格在奥地利因斯布鲁克大学建立了自己的量子实验室，并且需要一名学生来检验他的实验猜想。潘看上去是一个理想的选择。于是，与大多数中国学生的选择不同，潘去了奥地利师从塞林格，与赛林格开始了一段决定他们二人此后二十年间事业上并驾齐驱的关系。
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" s' h* Q) M- k! e; ?当时潘虽然还只是名研究生，但却怀着为祖国服务的巨大心愿。第一次见面时，塞林格问潘的梦想是什么。潘回答说：“在中国建立一个像您实验室这样的世界领先的实验室。”这给塞林格留下了深刻的印象。“潘刚来的时候，他对如何在实验室工作所知了了，但他很快就掌握了游戏规则，并很快就开始了他自己的实验。”塞林格说，“我一直相信他会前程似锦，但没想到他居然如此成功，我想这是任何人都无法事先预料的。我为他感到非常骄傲。”

当潘在塞林格实验室施展他的专业才华时，世界各地的物理学家慢慢认识到，曾令潘着迷的深奥难懂的量子特性可被用来创造超强的量子计算机。标准计算机通过编码于二进位数——一连串的“0”和“1”——上的信息而缓慢地运行。但早在1981年，物理学家理查德•费曼就指出，量子位，又称“量子比特”，不会如此步履维艰。因为一个量子比特可以同时存在于0和1的叠加，它可能建立更快、更强大的能够将多个量子比特纠缠起来的量子计算机，以惊人的速度并行地执行某些运算。

另一个新兴概念是极度安全的量子加密，可在如银行交易等方面获得应用。其中的关键是测量一个量子系统会不可避免地破坏这个系统。因此，两个人Alice和Bob能够产生并共享一套量子密钥，其安全性在于来自窃听者的任何干扰都会留下痕迹。

9 V, G2 D: K% p; h% I+ {" \9 A在2001年潘回到中国的时候，量子技术的潜力已经得到公认，并吸引了中国科学院和中国国家自然科学基金的财政支持。“很幸运，2000年中国经济开始增长，因此很快迎来了从事科研工作的好时候，”潘说。他全身心投入了他的梦想实验室建设。

这个时候，在奥地利，塞林格转到维也纳大学，在那里，因为他的远见卓识，他继续创造着量子记录。他最著名的实验之一表明，巴基球（含有60个碳原子的富勒烯分子）可以表现出波-粒二像性，这是一个奇特的量子效应，很多人曾认为在如此大的分子中不可能存在这种效应。“每个人都在谈论可以用小的双原子分子来尝试一下这个实验，”塞林格回忆说，“我说，‘不，伙伴们，不要只是思考前面的一两步，请思考一下我们如何能实现一个超出所有人想象的大跳跃。’”

9 ]% L# S9 ?2 e8 w% H; S, l$ g0 f这使得潘深受教益。世界各地的物理学家们开始构思利用尚未实现的量子计算机来连接的未来量子互联网。当大多数人仍满足于在实验室内部安全地得到量子信息时，潘已经开始思考如何能够在太空中实现信息的隐形传送。

纽约IBM的计算机科学家查尔斯•贝内特和他的同行1993年首次提出所谓“量子隐形传态”的概念。这名副其实，陈说：“它就像星际旅行一样，”它使得关于一个量子客体的全部信息在某个地点被扫描输入，并在一个新的地点重构出来。这其中的关键是纠缠：对处于纠缠态的其中一个粒子的操作会影响到另一个粒子。不管两个粒子距离多远，它们可以像一条量子电话线两端的电话机那样被操控，在两个相距甚远的地点之间传送量子信息。

6 z7 e! p7 V  P3 w当同时产生的纠缠粒子被发送到电话式连接的两端时，问题就出现了。传递过程充满噪音、散射相互作用和各种形式的其它干扰，任何一种干扰都会破坏隐形传态必需的精巧的量子关联。例如，目前纠缠光子通过光纤传输，但是光纤吸收光，这使得光子的传输距离仅限于几百公里。标准的放大器不起作用，因为放大过程会破坏量子信息。陈说：“要在城域距离之外实现隐形传态，我们需要卫星的帮助。”
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( U: ]2 _+ [/ w* y. R2 j9 n: x但是当光子向上通过地球的湍流大气层到达几百公里的卫星时，纠缠会不会继续保持？为了回答这个问题，潘的研究团队（包括陈在内）于2005年开展了晴空下传输距离不断扩大的地基可行性实验，探究光子与空气分子发生碰撞后纠缠性质能否继续维持。但他们还需要建立靶标探测器，这个探测器必须小到能够装配到卫星上，并且必须足够灵敏，以能够从背景光中筛选出被传送的光子。并且他们还得保证他们可以将光子束足够聚焦以能打到探测器。
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这个工作激起了塞林格的竞争意识。“中国人在做了，因此我们想，为什么我们不试试呢？”塞林格笑着说，“一些友好的竞争总是好的。”竞争促使光子传输距离的世界纪录不断被刷新。在接下来的七年中，在合肥展开一系列实验，然后是在北京长城，最终在青海，中国研究团队将隐形传态的距离越推越远，直到它超过97 公里。5月份，他们将成果张贴在物理预印本服务器ArXiv上，这让奥地利团队十分懊恼，因为他们正在撰写在加那利群岛间隐形传态光子的实验论文。8天后，他们在ArXiv上贴出了论文，报道他们隐形传态143公里的新纪录。两篇文章先后发表在《自然》杂志上。“我认为这可以表明一个事实，即每个实验都有不同和互补的价值，”维也纳大学物理学家、奥地利团队成员马晓松说。

两支团队都认为向卫星进行隐形传态在科学原理上已不存在问题。目前他们亟需一颗卫星来装载功能齐备的有效载荷设备来开展相关的量子实验检验。塞林格研究组一直在与欧洲航天局商讨建立量子卫星计划，但这些努力因拖延而渐渐告吹。塞林格说：“它的运行机制慢到无法做出任何决策。”欧空局的犹豫使中国国家航天局乘势得以扩大领先优势。潘在这方面起了决定性的推进作用，“量子卫星”计划于2016年发射。这使得潘在量子空间竞赛中处于领先地位，他的研究团队将着手开展大量的科学实验。
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  m) u# y3 ?3 m% N成功的关键
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6 _( W# l" J: k/ M0 ?# @, |如果没有通信对象，开发全球首个量子通信网络就失去了意义。因此，潘建伟邀请他从前的竞争对手加入这个项目。他们的第一个共同目标是在北京和维也纳之间生成和共享安全的量子密钥。马晓松说：“总之任何一个小组都无法独立完成向卫星隐形传态这一极其艰巨的任务。”

( ?! w6 o; y/ \! E4 K尽管对推进技术前沿的承诺是中国政府的主要兴趣所在，许多物理学家发现卫星项目因为其它种种原因而令人着迷。陈说：“作为一名科学家，驱使我不断前行的动力在于探寻更多的物理学基础方面。”迄今为止，量子理论的奇妙之处在实验室里被不断重复检验，但这些检验从未在太空尺度进行过，而且有理论认为，如果量子理论可能会在某处遭遇挑战，那必然是太空。大尺度由另一个基本理论物理所掌控：广义相对论。相对论将时间与三维空间交织，从而创造一个四维时空结构，包括宇宙。在巨大物体如太阳周围，这种可塑结构将发生弯曲，表现为引力，引力将较小质量的物体如行星拉向巨大物体。
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1 x1 R$ O/ |  S1 Y! j) j目前的挑战是，量子理论和广义相对论对时空概念有不同的理解，物理学家们一直致力于将其融合进一个统一的量子引力理论框架。在爱因斯坦的绘景里，即使在无穷小尺度上，时空都是完全光滑的。然而量子不确定性却意味着不可能在如此小的距离上测量空间性质。目前尚不清楚是量子理论还是广义相对论需要进行修正，抑或二者都要进行修正。卫星实验可以帮助测试量子理论的规则在引力牵引不能被忽略的尺度上是否仍然适用。

* l2 o2 A9 H4 [! X一个明显的问题是，量子纠缠是否可以延伸到地球和卫星之间。为了回答这个问题，研究组计划在卫星上制备一系列纠缠粒子对，将每对中的两个粒子分别发送到两个地面站，然后测量两个粒子的性质以验证它们是否仍然存在关联——现有的理论框架是否无懈可击。“如果纠缠不再存在，我们就不得不寻找另一种理论来代替量子理论，”研究向卫星进行隐形传态方案的瑞士日内瓦大学理论物理学家尼古拉斯•布鲁纳说。

, D1 {5 A, h1 `& O( s  p5 f该卫星还可更进一步，检验一些候选的量子引力理论对时空结构的预言。比如，所有这些理论都预测，如果科学家能以某种方式在10的负35次方米（即普朗克长度）这一尺度观测，空间、时间将呈现为颗粒状。如果事实确实如此，那么光子从卫星沿着这条颗粒感的道路将会轻微减速，而且偏振方向将有一个微小、随机的偏转——这些效应足够大，能够在地面站被纪录下来。“卫星将开启一个真正全新的窗口，通往一个实验物理学家此前从未涉足的领域，非常神奇，”来自意大利罗马萨皮恩扎大学的物理学家吉奥瓦尼•阿米力诺-卡米利亚说。

潘，赛林格和他们的团队目前正在仔细梳理最近加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所召开的一系列研讨会上提出的各种想法。在这些研讨会上，物理学家们被要求提出卫星能够测试的其他基础性问题。这些问题包括：为何处于纠缠态的一个粒子总是知道远端那个粒子的测量结果呢？是否纠缠量子对通过某种未知的信息通道进行通信？什么导致测量时量子波函数坍塌？是否引力在以某种不确定的方式在起作用？时间到底是像广义相对论中所描述的是精确定义的量，或是量子力学所预言的模糊量？

潘说，回答这类问题需要极度精密的实验仪器。但只要各团队能够团结协作，克服他们提出的技术挑战将更加容易。奥地利的研究团队同样以饱满的热情加入新的合作。就像塞林格所言：“我的一个学生正开始学习汉语。”
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! E% ]1 S7 z) ?2 f《自然》刊登原文（英文）

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