• 背景摘要
  • 量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式,是近二十年发展起来的新型交叉学科,是新的研究领域。
中国量子通信引领者:战略科学家的视野与理性坚守
来源:中国科技人才 - 朱广清 冯琬婧     发布时间:2016-08-18

刚刚过去的2015年底,英国物理学会新闻网站《物理世界》,公布了该年度国际物理学领域10项重大突破,中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其团队成员陆朝阳等完成的“一个基本粒子的多自由度量子隐形传态”入选并名列榜首。评审委员会认为,这项成果缩小了一些未来新技术与现实之间的距离,譬如安全性能牢不可破的通信设备、运算速度比今天快几万亿倍的计算机。

今年年初,潘建伟及团队的“多光子纠缠及干涉度量”,获2015年度我国国家自然科学奖一等奖。有媒体称此成果为“弯道超车利器”。

至此,我国量子通信领域开始领跑世界。

2月1日及3日、4日,潘建伟及其团队,中国科学技术大学有关人士,相继接受了记者的专访。

1. 通信安全是自古以来的永恒话题,也是当代世界难题,加密技术不断升级与加密算法不断被破解,使得密码学中的矛与盾处于恒久的博弈之中。十几年来,他与他的团队站在量子力学前沿制高点上与高明的窃听者“斗法”

采访进入通信安全话题,潘建伟直指2000多年前的古战场。

“人们想以安全的方式共享一些想法或秘密,最早可追溯到古希腊的军事行动。当时指挥官发布命令是用密码棒,经战士传递给作战首领,再将布料缠绕在棒上烙印,密码即可读出。凯萨大帝时期,人们将字母做些改换,譬如,A用C代替、B用E代替,尔后根据密码本对译,就可读出信息。2000多年来,密码成为人们保护信息的主要手段。现代社会,无论国防、政务还是网络、金融,通信安全技术须臾不可离开。由此,通信安全是自古以来的永恒话题,也是当代世界难题,为当今世界各国的重大战略需求。”

潘建伟强调,随着加密技术不断升级和加密算法不断被破解,密码学中的矛与盾便处于恒久的博弈之中。

那么,有没有一种绝对不被破译的通信方式,彻底解决通信安全难题?

潘建伟向记者娓娓道来:

1949年,信息论及数字通信奠基人香侬证明,如果密钥是随机的、密钥与明文长度一样且一次一密、不重复使用,那就可保证这种加密方法绝对安全。

然而,这是建立在密钥本身是安全的前提之下。如何产生并分发安全的密钥呢?

基于量子力学中量子的不可分割性、量子状态的测不准性和未知量子态不可精确克隆3大原理,原则上可以实现无法被窃听的安全通信。

潘建伟说,“在科幻小说中,人们经常想象时间可以倒流。时间可以倒流就意味着因果性可以改变。然而到目前为止,物理学所有原则中,因果性是最宝贵的原则,它是不能改变的,如果因果秩序颠倒,我们的世界就无因无果,那是目前所有物理学原理所不允许的。”他说,在香侬提出无条件安全的加密原则50年后的2009年,研究证明采用量子手段可达到安全密钥分发目的:只要因果性成立,量子密钥分发就是安全的。

量子和信息的结合,最初来自1935年爱因斯坦等人对量子力学完备性的质疑,即EPR佯缪。通俗地讲,量子纠缠,是两个或更多粒子,即使远隔千山万水也瞬时相互关联的现象。按照相对论定域性,处于类空间隔的两粒子,表现为对一个粒子的测量,不会对另一个粒子产生影响;然而量子力学却认为,处于量子纠缠的两个粒子,对一个粒子的测量,会瞬间改变另一个粒子的状态,这就是量子力学非定域性。伟大的爱因斯坦甚至称量子力学非定域性为:“遥远地点之间的诡异互动”。随着对量子非定域进行实验检验的深入,人们逐渐掌握了对微观粒子的量子状态进行人工调控的能力,在20世纪80年代,量子力学与信息科学相结合,诞生了一门新型交叉学科——量子信息学,主要包括量子通信和量子计算,为确保信息安全和提高计算速度提供了全新的方案。

100多年前的1900年,德国物理学家马克思·普朗克最先提出“量子”的概念,导致量子力学产生; 1972年,美国物理学家克劳泽等通过实验证实,微观粒子“遥远地点之间的诡异互动”现象真实存在;1984年,IBM公司的本内特和加拿大蒙特利尔大学的布拉萨德,率先提出量子密钥分发协议即BB84协议,著名的BB84理论形成,它标志着量子密码学正式诞生;1992年第一个量子密码实验演示完成。此后,世界各国的量子物理学家开始致力于量子密码的实用化。

就在量子力学诞生100多年后的2001年,潘建伟在中国科大创立量子信息实验室,他与他的青年科学家团队开始站在量子力学前沿制高点上,与那些高明的窃听者“斗法”。

2. 青年科学家们由衷敬佩他的前瞻视野、洞察力与领导力,他站在前人“肩”上的创新模式,以及我国集中力量办大事的传统和老一辈“海归”科学家的“家国情怀”,最终让我国在量子通信领域领跑世界

“逆向思维”选导师

“1996年,我出国攻读博士学位,究竟师从哪一位导师,当时有两个选择,一是包括诺贝尔奖获得者在内名气更大一些的导师,还有就是我当时的导师——奥地利因斯布鲁克大学教授塞林格(Anton Zeilinger)。那时,在同时期出国留学人员中,很多人选择年龄稍大一些的诺奖获得者或美国科学院院士,而我的导师当年名气还没那么大,他50岁,活跃在前沿,正处于创造的高峰期。经过了解,我认为他的研究在当时是最好的,便决定师从他。”

后来,潘建伟的导师塞林格教授,以其创造性的研究工作推动了整个量子信息学科的发展,由此他被誉为量子信息实验先驱之一。

读大二时,潘建伟接触到了量子力学。然而一开始就被“量子叠加”概念搞糊涂了——一个人要么在上海要么在北京,怎么会同时在上海和北京呢?“当时,我们已被牛顿力学的美妙所征服,而量子力学上述概念,在我看来,它与牛顿力学完全格格不入”。

“越是稀奇古怪越想拼命搞清楚”。就这样,潘建伟选择了量子力学研究方向,并与量子“纠缠”至今。

1997年,来到因斯布鲁克大学仅一年,潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作,开创性地实现了量子态隐形传输,在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送至乙地的光子上,这在国际上尚属首次。美国物理学会、欧洲物理学会与国际权威刊物《科学》,将其评为该年度“全球十大科技进展”。

质疑声中建实验室

“初到奥地利,我的导师就问我将来有什么打算,我说想在中国建立世界领先的量子实验室。”

潘建伟出国留学之时,量子信息学已成科学前沿热点,他敏锐地觉察到其科学价值与广阔的应用前景。由此,从1998年开始,潘建伟每年都利用假期回到中国科大讲学,并通过各种渠道为我国量子信息科学的发展提出建议。然而最初几年,他的建议并未引起人们重视。有人不解:研究物理的人怎么去搞信息科学、去搞计算呢?甚至有人认为这像是伪科学,是不务正业。2001年,潘建伟最先获得中科院和国家自然科学基金委的经费支持,在中国科大组建量子物理与量子信息实验室。与此同时,他开始寻找志同道合者,拟组建一个优势互补的科研团队。

创新一种崭新模式

建设世界一流的实验室并非易事。潘建伟发现自己仅仅一只脚跨入科学殿堂,所获知识还不足以在国内独立地支撑一个实验室,于是,一种创新模式在脑海中浮现——他向中科院和中国科大提出,新组建的实验室能否在国外建立一个“龙头”,站在前人“肩”上,将知识逐渐搬运回来?

最初,潘建伟采取在国外遥控的办法,购买哪些设备、开展哪些实验研究 “我们是以这样的方式,一丁点一丁点把知识搬运回来了。到2003年,我们的理论研究和实验项目都取得了较好成果,那一年,国际物理学术期刊《物理评论快讯》一连刊发了我们7篇文章。”潘建伟说,当时在《物理评论快讯》上发表文章是很难的事。

从2003年到2008年,潘建伟接连派遣他团队中的很多年轻人,到美欧世界顶级实验室深造。“我们的量子通信研究需要核心的单光子探测技术,就把张强派往美国斯坦福大学、把张军送往瑞士日内瓦大学;需要超冷原子调控技术,就把陈宇翱派到德国慕尼黑马普研究所;需要量子点光源技术,就把陆朝阳送往英国剑桥大学;此外,派往国外学习的还有赵博、包小辉等。”

“由于经费并非出自我国资助而是申请的国外项目,因而没有任何约束力要求这些年轻人学成回国,然而令人欣慰的是,当初约定学成回来报效祖国的每一个人,全部按时回来了”。潘建伟将此诠释为:他与他们的“心灵契约”与共同理想。

“到2004年,我们发现还有一种知识没掌握,即量子存储技术,而量子态不能存储则无法实现可扩展的量子信息处理。在中科院以及后来教育部和中国科大的支持下,我们又在德国海德堡大学 设点 ,学习和积累这方面知识。海德堡大学的物理学专业是强项,尤其是用冷原子做量子存储有过硬技术。”

2008年,潘建伟将建在德国海德堡大学的实验平台整体搬回中国科大。

2012年,潘建伟团队在国际上首次成功地实现了百公里量级自由空间量子隐形传态和纠缠分发。当年12月,国际权威学术刊物《自然》将该工作评选为“年度十大科技亮点”之一。《自然》在报道这一工作的新闻特稿《量子太空竞赛》中指出“在量子通信领域,中国用了不到10年时间,由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美。”

前瞻性源自敏锐洞察

采访中,青年科学家们讲述得最多的是他们的学术带头人潘建伟的前瞻性,洞察力与领导力。他们举例说:

“精确对准光晶格的激光光路,是获得超流-绝缘态相变的关键技术,我们在实验的优化过程中,碰到了参与判据不灵敏、系统长期稳定性差等问题。潘老师提前布局,安排研究团队的陈宇翱到慕尼黑大学的Bloch小组学习,积累光晶格实验经验。陈宇翱学成回国,根据我们实验的特点,提出了灵敏的光路对准判据,并建议在特殊位置使用压电调整架提高光路调节的准确性和可重复性。同时,我们改造了精密空调并优化实验平台控温系统,解决了该系统由于高温漂移带来的不稳定性问题。”

“并行地高保真度操控单原子自旋技术,是在光晶格中制备多粒子纠缠的基本技术,这在国际上是一个十分具有挑战性的难题。我们通过多轮讨论,并在实践中寻找办法,在借鉴前人超晶格技术的前提下,创造性地提出了自旋依赖的长短晶格相结合方法。潘老师当即安排一名博士研究生专攻这一方案,经过精心设计和持续实验的完善,终于实现了最初设想的自旋依赖的超晶格系统,并使用不同频率的微波分别耦合左右格点和不同自旋,解决了这一难题,为大尺度纠缠态的制备奠定了基础。”

“集中力量办大事”与“家国情怀”

最令潘建伟感动的是,当年在人们质疑的目光中筹建实验室,他申请经费200万元,而中科院基于更长远的考虑,一举支持了400万。

在自由空间,环境对光量子态的干扰效应极小,而光子一旦穿透大气层进入外层空间,其损耗即接近于零,这使得自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更具优势。基于卫星平台的量子通信,可实现全球化广域量子通信网络。为此,中科院一直大力支持潘建伟团队。在潘建伟团队2005年首次实验验证了突破大气层实验光量子传输可行性基础上,中科院于2007年起超常规部署了两个知识创新重大工程项目,为星地量子通信各项关键技术研究做方方面面的准备。经过几年的技术发展后,2011年,中科院启动了“量子科学实验卫星”先导专项。

潘建伟说,量子通信的信息载体通常为单光子,需准确探测并记录每个单光子信号到达时间,而通信双方往往相距遥远,分别拥有各自的时间基准,这就要在通信双方之间实现高精度时间同步。潘建伟说,由于卫星飞得非常快,每秒钟七八公里,要保证将天上的光接收到地面并与设备对接得上,其难度可想而知:大气是抖动的,天上星星在闪烁说明光线是不稳定的,因而这真像是“针尖对麦芒”。他说,“基于我们的量子技术,又得益于中科院上海技物所和光电技术研究所的天地光跟瞄技术,适逢中科院还有微小卫星工程中心,正是在中科院前瞻性布局下,集中了种种优势元素,因而在量子卫星方面,我国也走到了世界前列。

潘建伟有感于我们国家“集中力量办大事”的传统,感慨老一辈科学家的“家国情怀”。他告诉记者,在中国科大的历史上记载着这样一段往事:当年从国外回到祖国的科学大家钱学森、郭永怀等,曾致函中央建议建立一所新型大学——中国科学技术大学;而近代物理系首任系主任赵忠尧,是最早观察到正电子信号也即反物质的科学家,然而阴差阳错与诺贝尔奖擦肩而过。他由衷地希望我们的祖国繁荣昌盛,希望后世有为青年继续为之努力。

3. 十四五年磨一剑,过五关斩六将,几经困惑又峰回路转,海德堡大学的哲学家小路留下了他们的脚印,中国科大校园的夜幕中常见他们的身影

十四五年磨一剑,过五关斩六将。

潘建伟对记者说,“不管遇到多少挫折,我们的目标很明确,最终实现量子通信实用化。首先,要让它真正地安全;此外,要把距离做远,其中一方面是要研究自由空间,另一方面是要研究量子中继和量子存储。那么,就要发展一系列技术,譬如,关于安全,需要诱骗态光源和测量器件无关的量子密钥分发技术;要把量子存储发展起来,就需要冷原子技术,而自由空间则需要自适应光学技术等。”

“根据大目标的确定,我们形成了 路线图 ,然而路线不一定是确定的,有可能这条路走不通,再走另外一条路。实际上是起点定了、终点定了,然后根据这两个终端探讨哪条路走得通,各种各样的问题怎样一个个解决。”

实用化量子通信探索,几经困惑又峰回路转。

潘建伟这样讲述他们发现并“堵”上现实条件下量子通信中的两大安全漏洞:

“其一,量子密钥分发的理论方案要求理想的单光子源,目前在现实条件下是用弱相干光源——只有很小的概率在每个脉冲里有一个光子——来代替虽然小然而这导致更小的概率会有2个一模一样的光子。如果这时有个窃听者,我们假定他的技术比较高明,就会偷走一个光子,留下另一个光子让密钥继续产生,这样他就可以100%窃听了。因此,以往用弱相干光源实现的量子密钥分发的安全距离只有10公里量级,且速率很低,不具备实用价值。当年团队中的同事、后来的清华大学教授王向斌等在2005年提出一个方案:采用 诱骗态 量子密钥分发,即使使用弱相干光源,也能克服多光子事件带来的安全隐患,这样就能把安全距离一举拓展到几百公里。”

“其二,光源漏洞虽已被王向斌的理论和我们的实验研究解决了,然而终端探测器又遇难题。就像人的眼睛突遇强光,眼前一黑什么都看不清,我们的探测器也是如此:强脉冲进来,探测器就看不到信号,那么窃听者就有办法只让你看到他想让你看到的信号,就又可100%窃听。2013年,我们在国际上首次实验实现了所谓 测量器件无关的 量子密钥分发,完美解决了所有针对探测系统的攻击。历经一年多的实验探索,我们发展了高速独立激光干涉技术,结合中科院上海微系统研究所自主研发的高效率、低噪声超导纳米线单光子探测器,将该协议的安全距离突破至200公里,并将成码率提高了3个数量级,实用价值大大提升。就这样,发射端、接收端的安全漏洞全部被堵上了。”

在潘建伟看来,从2001年到2004年,是他们的知识储备阶段;而在2004年这一年,他们已经推出独立创新成果:多光子纠缠取得较大突破,在国际上首次实现5光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输。为此我国的科研工作第一次被美国物理学会和英国物理学会同时评为年度物理学重大突破,《自然》杂志称他们“完成了一次壮举”。

潘建伟说,多光子纠缠的意义,正如2012年诺贝尔物理学奖获得者Wineland所指出的,“纠缠粒子数越多,量子力学非定域性越强烈,对量子信息处理也越有用。”5个粒子纠缠在一起,功能还不够强大,如果能把100个粒子纠缠在一起,那就很强大。如果制造一个量子计算机,里面有100个存储元,就能处于2100个状态的相干叠加。相比经典计算机,量子计算机可以对2100个数同时进行计算,由此可带来计算能力重大飞跃。譬如求解亿亿亿变量的方程组,利用亿亿次的“天河二号”需要100年时间,而利用万亿量子计算机只需0.01秒钟。

“怎样才能让粒子纠缠得越来越多?这就需要存储,让纠缠态 活 得长久一点。由于这种态太脆弱,因而要把它保护在一种环境中,不要有干扰,要把噪音隔绝掉,那就需要绞尽脑汁,发展各种各样的技术。”

2005年,潘建伟团队的科研工作开始进入一种良性循环,并且开辟了一个新的方向——开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信。他们的自由空间技术,为后来的量子科学实验卫星打下了比较好的基础;而量子卫星的发射,将在国际上率先实现高速星地量子通信,初步构建我国广域量子通信体系,形成天地一体的全球化量子通信基础设施与下一代国家主权信息安全生态系统。

2016年下半年,“京沪干线”将建成,将成为连接北京、济南、合肥、上海等城域网络且全长2000多公里的量子保密通信线路,从而成为全球首个远距离广域光纤量子保密通信骨干线路。同样是在2016年,由潘建伟担任首席科学家的量子科学实验卫星将发射升空,“天地一体化”的广域量子通信网络将初步实现。

有人说,在德国海德堡,有一条著名的“哲学家小路”,黑格尔当年曾在这条小路上漫步思考,马克·吐温、歌德、席勒等人都曾在这条小道上留下足迹。潘建伟团队的青年科学家说,这里也留下了他们与潘老师的足迹。中国科大的老师们说,在中国科大校园的夜幕中常见潘建伟及团队的身影。

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