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[!--downpath--]相比于安東·蔡林格團隊，潘建偉團隊的進度更快，并逐漸實現(xiàn)了從并挪到小幅度領(lǐng)先的趕超。
2010年，潘建偉團隊成功實現(xiàn)當(dāng)時世界上最遠距離的16公里量子隱型傳態(tài)，首次否認(rèn)量子隱型傳態(tài)穿越大氣層的可行性，為未來基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通訊網(wǎng)奠定了可靠基礎(chǔ)。為了此次實驗，潘建偉團隊從2007年開始在上海古北口與湖南永清之間架設(shè)了一條歷時16公里的自由空間量子信道。
此后，潘建偉團隊在湖南湖地區(qū)新建實驗基地，舉辦驗證星地自由空間量子通訊可行性的地基實驗研究，從多個方面進行攻關(guān)，借以突破基于衛(wèi)星平臺自由空間量子通訊的關(guān)鍵技術(shù)困局，并在2012年實現(xiàn)全球首個上百公里的自由空間量子隱型傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)，對星地量子通訊可行性進行了全方位地面驗證。
在這場量子學(xué)革命的科學(xué)大賽中，多個“世界首次”“世界首個”均來自于由潘建偉領(lǐng)銜的“中國隊”：在國際上首次實現(xiàn)安全通訊距離超過100公里的光纖量子秘鑰分發(fā)、實現(xiàn)國際上首個全通型量子通訊網(wǎng)路、建成世界首個規(guī)模化量子通訊網(wǎng)路……“這標(biāo)志著中國在量子通訊領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國家逐漸發(fā)展為現(xiàn)今的世界勁旅，將領(lǐng)先亞洲和北美。”國際權(quán)威刊物《自然》雜志曾這么哀嘆。
中國團隊的那些研究工作，證明了實現(xiàn)基于衛(wèi)星的全球量子通訊網(wǎng)路和舉辦空間尺度量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗的可行性。
挑戰(zhàn)世界最高難度
2010年3月31日，我國國務(wù)院第105次常務(wù)大會審議通過了中國科大學(xué)“創(chuàng)新2020”規(guī)劃，要求中國科大學(xué)“組織施行戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，產(chǎn)生重大創(chuàng)新突破和集群優(yōu)勢”。
2011年1月25日，中國科大學(xué)施行啟動首批“4+1”個戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項太空物理實驗，其中就包括空間科學(xué)先導(dǎo)專項。空間科學(xué)先導(dǎo)專項第一批確定研制包括“墨子號”在內(nèi)的四顆科學(xué)實驗衛(wèi)星。另外三顆分別為暗物質(zhì)偵測衛(wèi)星“悟空”、我國首顆微重力科學(xué)實驗衛(wèi)星“實踐十號”和硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星“慧眼”。
“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星與阿里量子隱型傳態(tài)實驗平臺構(gòu)建天地鏈路（2016年12月9日攝，合成相片）。新華社記者金立旺攝
“工程師的任務(wù)是技術(shù)實現(xiàn)，要把科學(xué)家的夢想弄成現(xiàn)實。”量子衛(wèi)星工程常務(wù)總工師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說，2011年量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”項目即將立項后，更高難度的挑戰(zhàn)開始了。
量子科學(xué)實驗衛(wèi)星是我國自主研制的星地量子通訊設(shè)備，突破了一系列高精尖技術(shù)，包括“針尖對麥芒”的星地光路對準(zhǔn)，偏振光態(tài)保持與星地基矢校準(zhǔn)，量子光源荷載等關(guān)鍵技術(shù)。
王建宇從2007年就開始參與量子衛(wèi)星的研究工作。他是中國科大學(xué)北京分院的副校長、原中國科大學(xué)北京技術(shù)化學(xué)研究所主任，作為光學(xué)遙感系統(tǒng)專家，他的團隊與潘建偉團隊合作，在廣闊美麗的西藏河畔實現(xiàn)了百公里級自由空間量子通訊。
在2007年至2010年的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，研究團隊將量子秘鑰形成的地方放到坐落寧夏湖湖心島的海心山上，從中間向兩側(cè)分發(fā)。
那時，白天團隊成員們就睡在帳蓬里，同時還不能睡死，她們要弄死一批批有可能干擾設(shè)備的飛蟲。其中有位女研究生，從看到飛蟲就擔(dān)心，到后來弄成一邊做實驗一邊面不改色地把飛蟲一只只拍死的“殺手”。
“以前做衛(wèi)星，多少能找到參考資料，但這個量子衛(wèi)星的工作，屬國際首次，完全沒有參考。”王建宇覺得太空物理實驗，最困難的環(huán)節(jié)就是實現(xiàn)天地一體化移動。
按潘建偉等科學(xué)家的實驗設(shè)計要求，“墨子號”不僅是天上的那顆衛(wèi)星，它還包括地面系統(tǒng)：1個中心——合肥量子科學(xué)實驗中心，4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通訊地面站，1個平臺——阿里量子隱型傳態(tài)實驗平臺。衛(wèi)星和地面站之間，要做到最高精度的瞄準(zhǔn)和最靈敏的探測。
拉薩量子通訊地面站望遠鏡發(fā)射綠色信標(biāo)光，“等待”“墨子號”過境（2016年12月22日攝）。新華社記者金立旺攝
光量子特別小，它是光的最小單位，必需要用極為靈敏的偵測器能夠偵測到；它的數(shù)目又特別多，“墨子號”衛(wèi)星每秒能分發(fā)1億光量子；據(jù)悉，它還姿態(tài)萬千，能產(chǎn)生不同的量子編碼……
王建宇打了個比方：假如把光量子看成一個1元硬幣，星地實驗就相當(dāng)于要在萬米高空飛行的客機上，不斷把上億個硬幣一個個投到地面上一個不斷旋轉(zhuǎn)的儲錢罐里（偏振光檢測的基矢在變化），這不但要求硬幣擊中儲錢罐（瞄準(zhǔn)精度），并且要求硬幣確切射入罐子上修長的投幣口（偏振光保持）。
為了讓穿越大氣層后光量子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，王建宇團隊與潘建偉團隊一道，從2012年起開始進行了各類實驗：收發(fā)距離40公里的轉(zhuǎn)臺實驗，要與衛(wèi)星繞地運行的角速率一致；30公里距離的車載高速運動實驗，要考驗超遠距離“移動瞄靶”能力；熱氣球浮空平臺實驗，在空地環(huán)境下模擬量子秘鑰分發(fā)……
如此困難的“針尖”對“麥芒”，其關(guān)鍵技術(shù)最終被一一擊潰，在十幾個研究所的幾百位科研人員的傾情投入下，衛(wèi)星的初樣完成了。
建立首個星地量子通訊網(wǎng)
32年前，人類歷史上首次量子通訊在實驗室實現(xiàn)了，傳輸距離32分米。而今，中國人將這個距離擴充了1400多萬倍，實現(xiàn)了從地面到太空的多用戶通訊。
2016年8月16日1時40分，我國在蘭州衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載湖人成功將世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星發(fā)射升空。新華社記者金立旺攝
2021年1月7日，國際頂尖學(xué)術(shù)刊物《自然》雜志上發(fā)表了題為《跨越4600公里的天地一體化量子通訊網(wǎng)路》的論文。中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院宣布，中國科研團隊成功實現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子秘鑰分發(fā)，標(biāo)志著我國已建立出天地一體化廣域量子通訊網(wǎng)雛型。
20年磨一劍，中國在量子通訊域?qū)崿F(xiàn)了從跟挪到領(lǐng)跑：量子保密通訊滬寧干線總長超過2000公里，是目前世界上最遠距離的基于可信中繼方案的量子安全秘鑰分發(fā)干線，該線路已于2017年9月末即將開通。“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星于2016年8月在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，完滿完成了預(yù)定的全部科學(xué)目標(biāo)。
“墨子號”牽手“京滬干線”，中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院科研人員潘建偉、陳宇翱、彭承志等與中國科大學(xué)北京技術(shù)化學(xué)研究所王建宇研究組、濟南量子技術(shù)研究院及中國有線電視網(wǎng)路有限公司合作，建立了全球首個星地量子通訊網(wǎng)。經(jīng)過為期三年多的穩(wěn)定性、安全性測試，該通訊網(wǎng)實現(xiàn)了跨越4600公里的多用戶量子秘鑰分發(fā)。
“要實現(xiàn)廣域量子通訊，就要解決光量子耗損、退相干等一系列技術(shù)困局，例如光量子數(shù)在光纖里每傳輸約15公里都會損失一半，200公里后只剩萬分之一。”潘建偉說，科研團隊在光學(xué)系統(tǒng)等方面發(fā)展了多項先進技術(shù)，化解了這種困局。
全球首個星地量子通訊網(wǎng)路，覆蓋我國四省三市32個節(jié)點，包括天津、濟南、合肥和重慶4個量子城域網(wǎng)，通過兩個衛(wèi)星地面站與“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星相連，總距離為4600公里，目前已接入金融、電力、政務(wù)等行業(yè)的150多家用戶。
目前，廣域量子通訊網(wǎng)路的雛型已基本產(chǎn)生，未來在此基礎(chǔ)上，可進一步促使量子通訊在金融、政務(wù)、國防、電子信息等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
《自然》雜志審稿人對此評價道，這是月球上最大、最先進的量子秘鑰分發(fā)網(wǎng)路，是量子通訊“巨大的工程性成就”。星地量子通訊網(wǎng)的建成，為未來實現(xiàn)覆蓋全球的“量子網(wǎng)”奠定科技基礎(chǔ)，也為相對論、引力波等科學(xué)研究，提供了前所未有的“天地實驗室”。
親歷者說
潘建偉：給量子科學(xué)實驗衛(wèi)星起名“墨子”是為彰顯我國科研自信
◎科技商報記者吳羊毫
2016年8月16日，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星在九泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空。
“現(xiàn)在看發(fā)射錄象覺得很輕松，但似乎在發(fā)射前30秒，我仍然手掌合十。雖然沒念阿彌陀佛，卻也在默念老天祈求，希望衛(wèi)星能成功步入太空。”中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長、中國科大學(xué)教授潘建偉追憶道。
中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院供圖
潘建偉說，給這顆衛(wèi)星取“墨子號”這個名子，是由于墨子是中國歷史上的第一位科圣。墨子生活在2400年前，他主張“兼愛、非攻”，也就是平等、博愛、反對戰(zhàn)爭。
“墨子在法家專著《墨經(jīng)》里面講到‘端，體之無序而最后者也’。這個‘端’指的是小顆粒，是組成所有物質(zhì)的最基本的單位。”潘建偉說，從這個含意上講，墨子是所有科學(xué)家上面最早提出原子概念雛型的人。與他同時期的意大利的科學(xué)家、哲學(xué)家德謨克利特也提出了相同的觀點。據(jù)悉，墨子在《墨經(jīng)》里面還提出“止，以久也，無久之不止”。久是力的意思。這句話說的是一個物體之所以會停出來，主要由于遭到力的作用，假如說沒有阻力的話，一個物體的運動是永遠不會停止的。
“這與我們在小學(xué)學(xué)到的牛頓慣性定理是完全一樣的。不過，與墨子同時期的知名哲學(xué)家亞里士多德卻說，假若一個物體不遭到力的作用都會停出來。后來牛頓提出了慣性定理，否定了亞里士多德的觀點。”潘建偉說，早在2000多年前，我國就早已有一位偉大的科學(xué)家提出了特別基本的數(shù)學(xué)學(xué)概念。
“有種說法，中國人似乎不適宜做科研。我們當(dāng)時取‘墨子號’這個名子，就是想告訴你們：中國人可以做好科研。”潘建偉說，起名“墨子”正是為彰顯我國的科研自信。
據(jù)悉，墨子還做了一項很重要的工作，其與光學(xué)研究有關(guān)。“現(xiàn)在我們都曉得光線是沿直線傳播的，但在古時侯人們并不清楚這個事情。怎樣通過一個實驗來證明光是順著直線傳播的呢？”潘建偉說，墨子在2000多年前就做過一個小孔成像實驗。他站在門外邊，在門上挖一個小孔，門上面有一面墻，結(jié)果發(fā)覺墻壁的影子是倒過來的。我們曉得光只有順著直線傳播就會有這些現(xiàn)象。我們將世界上首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星起名為“墨子號”，一方面是為了記念墨子在我國科學(xué)方面所做出的一些重大貢獻，同時也為了記念他在光學(xué)研究方面所取得的一些成就。
大事記
2006年
我國團隊實現(xiàn)了超過100公里的引誘態(tài)量子秘鑰分發(fā)實驗
2008年
我國首個3節(jié)點全通型量子保密電話網(wǎng)路在西安試驗成功
2016年8月
世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空
2017年9月
量子保密通訊“京滬干線”正式開通，并與“墨子號”成功對接，實現(xiàn)了洲際量子保密通訊,全球首個天地一體化的廣域量子通訊網(wǎng)路初具雛型
2020年2月
我國科研團隊實現(xiàn)了500公里量級真實環(huán)境光纖的雙場量子秘鑰分發(fā)和相位匹配量子秘鑰分發(fā)
2020年6月
“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星在國際上首次實現(xiàn)千公里級基于糾纏的量子秘鑰分發(fā)
2021年1月
我國宣布建成跨越4600公里的天地一體化量子通訊網(wǎng)路