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回答愛因斯坦"百年之問" 中國這一次站在世界最前沿
2017-06-19 09:17:35 來源: 中國青年報
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中國量子科學實驗衛星“墨子號”。 資料圖片

  原標題:這一次,中國站在世界最前沿

  就像是一個隱喻,來自中國的“墨子號”量子衛星從太空發出兩道紅色的光,看上去像極了漢字裏大寫的“人”字,這幅景象被當作“封面”,刊印在6月17日的美國知名學術期刊雜志《科學》上。這一次中國科學站到了世界面前,而且是挺直腰桿,站在了最前沿。

  6月16日,中國量子科學實驗衛星首席科學家、中國科學技術大學副校長潘建偉院士在媒體的閃光燈下宣布:中國率先實現了“千公裏級”的星地雙向量子糾纏分發,打破了此前國際上保持多年的“百公裏級”紀錄,回答了愛因斯坦關于量子力學的“百年之問”。

  讚譽、解讀、報道紛至沓來——

  《科學》雜志審稿人稱該成果是“兼具潛在實際現實應用和基礎科學研究重要性的重大技術突破”,並斷言“毫無疑問將在學術界和廣大的社會公眾中産生非常巨大影響”。

  美國波士頓大學量子技術專家謝爾吉延科評價:這是一個英雄史詩般的實驗,中國研究人員的技巧、堅持和對科學的奉獻應該得到最高的讚美與承認。

  在中科院新聞發布當天,潘建偉沒有刻意掩飾自己的激動,他説:“這是我這輩子目前為止,做過的最好的科學成果。”

  盡管對他和他的團隊來説,所謂領跑,或是創造世界紀錄,早已是家常便飯——

  就在一個月前,潘建偉團隊研發的世界上第一臺超越早期經典計算機的光量子計算機問世。再往前,2003年,潘建偉團隊實現了四光子糾纏態——一個量子糾纏研究領域基礎性工作,此後多年,該團隊又先後實現五光子、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錄,並頻頻引來學界和媒體的關注。

  英國《自然》雜志在報道潘建偉團隊量子通信研究成果時就提到:這標志著中國在量子通信領域的崛起,從10年前不起眼的國家發展為現在的世界勁旅,將領先于歐洲和北美。

  如今,以量子衛星最新實驗為代表的成果,讓中國再次挺進量子研究世界版圖的中心。屬于中國的量子時間似乎正在到來。

  “世紀之問”:全球大國新博弈

  人類之所以愛上科學,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?舉個關于足球的例子,在宏觀世界,我們可以確定地知道它究竟在哪個點,但在微觀世界,一個足球就相當于一個粒子,人們似乎只能判斷它出現在足球場某個點的概率,卻無法確切地知道它究竟在哪裏。

  量子力學正是微觀世界“概率論”的最大支持者。量子論裏有一種特性,即量子糾纏,簡單來説,兩個處于糾纏狀態的量子,就像有“心靈感應”,無論這些粒子之間相隔多遠,只要一個粒子發生變化,另外的粒子也會即刻“感知”,隨之發生變化。

  不過,愛因斯坦並不買賬,並譏諷這個現象為“幽靈般的超距作用”。也因此,他和波爾等科學巨擘為此展開激烈爭論,並留下一個“世紀年之問”:上帝擲骰子嗎?換言之,微觀世界都是由“概率”決定存在的嗎?

  全球相關領域的科學家,甚至是一些執政者都為這個問題著迷。因為,一旦這種特性得到最終驗證,就有一個最為直接的應用,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”。

  按照潘建偉的説法,要讓量子通信實用化,需要實現量子糾纏的“遠距離”分發。一代又一代學者接力走下來,人類似乎遭遇了“瓶頸”:由于量子糾纏“太脆弱”,會隨著光子在光纖內或地表大氣中的傳輸距離而衰減,以往的實驗只停留在“百公裏”量級的距離。

  潘建偉粗略地測算過,使用光纖進行量子分發,傳輸“百公裏”距離,損耗已達99%;傳輸“千公裏”的距離,每送1個光子大約需要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,誰先衝到“千公裏”的距離,似乎就能在這場賽跑中領先。潘建偉説:“大家不斷地去‘拉長’這個距離,以此來驗證量子糾纏的原理,步步逼近量子通信的實用目標。”

  “彎道超車”:中國在太空領跑

  事實上,在量子物理學誕生的一百多年裏,有關研究始終長盛不衰。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簽,但這並不妨礙我們“彎道超車”。

  2003年,潘建偉團隊開始實驗“長距離”量子糾纏,從13公裏到100公裏,從追趕走向超越。2012年8月9日,國際學術期刊《自然》雜志以封面標題形式發表了潘建偉團隊的研究成果:他們在國際上首次成功實現了“百公裏”量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發。

  這一成果不僅刷新世界紀錄,有望成為遠距離量子通信的裏程碑,而且為發射全球首顆量子科學實驗衛星即如今的“墨子號”奠定了技術基礎。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《數據隱形傳輸:量子太空競賽》,詳細報道了這場激烈的量子太空競賽。

  又過了4年,潘建偉團隊通過發射“墨子號”衛星,將“量子糾纏”的實驗距離拉到“1200公裏”,把科學家一直假想的實驗變成了現實,也讓中國量子在太空中領跑全球。

  加拿大滑鐵盧大學量子技術專家延內魏因説,國際上確實存在量子科研競賽。“中國團隊已克服了好幾個重大技術與科學挑戰,清楚地表明了他們在量子通信領域處于世界領先地位。”

  相應地,類似的實驗,歐盟、加拿大、日本都有科學家在呼吁和推進。但或因技術積累不夠,或因資金支持不夠,目前進展緩慢。

  以美國為例,2015年美國航空航天局宣布一項計劃:在其總部與噴氣推進實驗室之間建立一個直線距離600千米、光纖皮長1000千米左右、10個中轉基站的遠距離光纖量子通信幹線,並計劃拓展到星地量子通信。不過,目前該計劃尚未有實際進展的最新消息。

  2015年年末,英國政府發布的《量子時代的技術機遇》報告顯示,中國在量子科技的論文發表上排在全球第一、專利應用排名第二。在“第二次量子革命”的起步階段,中國異軍突起進入“領跑陣營”。

  如今,在最新量子太空競賽中,中國“墨子號”再次獨佔鰲頭,第一個衝過“千公裏”量級的跑線。參與這次實驗的兩個地面站分別是青海德令哈站和雲南麗江高美古站,兩站距離1203公裏。有評論稱,發射後僅僅數月,世界上首顆量子通信衛星就已經達到了它最具雄心的目標之一,量子通信向實用邁出一大步。

  異軍突起:體制機制做後盾

  潘建偉不止一次地被問到:中國這一次為何得以領先歐美國家?

  而他的回答,往往是“集中力量辦大事”,有賴于中國“大科學”項目建設的高效性。

  潘建偉説,這項成果是由一個“大團隊”做出的。在中國科學院空間科學戰略性先導科技專項的支持下,他和他的同事彭承志等組成的研究團隊,聯合中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國家天文臺、紫金山天文臺、國家空間科學中心等單位合作完成。

  如此列舉,並非只是在“功勞簿”上寫上一筆。

  潘建偉説,一切進展順利時,大家也許意識不到,但一旦遇到磕磕碰碰,就能深切地意識到“某些環節或某個機構的不可或缺性”。他的一些歐洲、美國、加拿大同行,也曾有過類似的科學設想,但沒有類似團隊的全力支持,只能作罷。

  比如,量子信息實驗研究的先驅者、著名物理學家Anton Zeilinger 研究組以及歐洲眾多的優秀研究團隊一直在與歐洲空間局商討建立以國際空間站為平臺的星地量子通信計劃。然而,歐空局緩慢的決策機制使得這一計劃一再拖延。

  而在我國,早在2003年,潘建偉就向中科院提出利用衛星實現遠距離量子糾纏分發的方案。在當時的中科院內部,這個“聞所未聞的想法”並非沒有收到質疑的聲音,甚至有人説,“潘建偉瘋了”!

  不過,中科院最終咬牙批給了潘建偉團隊100多萬元——這在14年前可是一筆“相當大”的科研經費。

  那時,有一個叫彭承志的,還是一頭黑發的年輕小夥,如今卻已是頭發花白的量子衛星科學應用係統總師、中國科學技術大學的教授,也是這次“千公裏”量級重要成果的主要完成人之一。

  據他回憶,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:“這個事,是不是挺牛的?”

  潘建偉説:“是世界上最牛的,至少是之一”。

  “作為一個年輕人能夠做這樣一件事情,我沒有理由拒絕。”彭承志説。

  按照潘建偉的説法,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、德國馬普量子光學所……2008年,他帶領在德國的團隊整體回歸中國科大,分布在世界各地的年輕學者也陸續回國,一支由他領銜、以陳宇翱、陸朝陽、張強、趙博等為代表的世界級研究團隊“橫空出世”。

  如今,14年過去,“千公裏”量級的關卡闖了過去,這支團隊正朝著“30萬公裏”的終極距離去努力,繼續檢驗量子力學。未來,還有可能和探月工程結合,到月球上做實驗。

  不過,潘建偉這位年僅47的院士仍有著“嚴重的危機感”。他説,沒做成的時候有很多懷疑,現在花了這麼多時間做成了,國際上都紛紛表示要“盡可能趕上”。

  正如一位美國同行所説,雖然第一艘宇航飛船和第一個人造衛星都是蘇聯做出來的,但登月,美國卻是第一個。他們覺得只要努力,就可以在量子領域趕超中國。

  “所以,我們不敢懈怠。”潘建偉説。(邱晨輝

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【糾錯】 責任編輯: 陳俊松
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