2013
01.11

[小红猪]数据隐形传态：空间量子通信之竞赛

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本文作者：小红猪小分队

副标题：空间通信的竞赛中出现了一些强劲的对手

译者：星空天牛

校对：霍然

原文地址：http://www.nature.com/news/data-teleportation-the-quantum-space-race-1.11958

三年前，潘建伟在中国的长城上小小地上演了一把“星际迷航”。他和他的一群在合肥的中国科技大学的物理学家团队，在北京城北边的小山上一个在长城脚下的站点，将一束激光对准了一个放置在16公里开外的某个天台上的探测器，然后利用激光光子的量子特性穿越这一段空间来传输信息。这是那个时候量子隐形传态距离的世界纪录，也是这个团队向他们的量子通信卫星这一终极目标迈开的重要一步。

如果这一目标最终得以达成，它将建成第一个“量子英特网”，发挥亚原子物理学的威力来建立一个超级安全的全球通信网络。这将巩固中国在这一领域的上升势头，从十多年前的一个小角色到一个全球领先者：中国计划在2016年发射一颗用于量子科学实验的卫星，在时间表上是排在欧洲和北美之前的。这颗卫星将提供给物理学家们一个新的平台来测试量子理论的基础知识，并探索如何将与其完全不同的爱因斯坦广义相对论统一起来。

这也将是对潘建伟与安东·赛林格之间长期而又极具竞争性的友谊一个标注。安东·赛林格是维也纳大学的一位物理学家，他曾是潘建伟的博士导师，然后是其在远程量子通信(隐形传态)领域长达七年的竞争对手，而如今又是其合作者。这两位物理学家计划，一旦卫星发射成功，他们将建立第一个通过卫星来连接亚欧的洲际量子安全网络。“中国有句古话，‘一日为师，终身为父’，”潘建伟说道，“在科学研究领域，林格和我平等合作，但从情感上，他一直是我为之尊敬的长者。”

快速行动者

2001年，潘建伟建立了中国第一个用于研究光子的量子特性的实验室，2003年，他提议发射量子卫星计划，这个时候他还仅仅是三十岁多一点。2011年，41岁的潘建伟当选为最年轻的中国科学院院士。“从头到尾，他几乎是单枪匹马地推动着这个项目，使得中国在量子论研究领域占有一席之地。”同样来自中国科技大学的团队成员陈宇翱这样说道。

潘建伟的学术之路可以追溯到1980年代末他在中科大读书的那几年，那时候他开始了解到原子领域的一些悖论。量子物体可以存在于多重状态叠加的情况下：比如说，一种粒子可以同时顺时针和逆时针旋转(自旋)，而且可以同时存在于这里和那里。这一多重粒子格是可以通过粒子波函数来进行数学描述的，粒子波函数会给出在每一个不同状态下的概率。仅仅当这一粒子的特性被测量时，波函数就会通过选择在一个确定位置的确切状态而坍塌。至关重要的是，即使是从原理上，都没有办法去预测一个单一试验的结果；所谓的概率也仅仅是揭露了在多次重复试验下的一个统计分布。

由于多粒子量子纠缠特性，当两个或者更多的粒子加入进来后，事情会变得更加古怪。对于多个粒子的情况，可以将对一个粒子的测量与其他粒子的测量一致对应起来，即便这些粒子间有很远的距离，而且即便状态叠加的现象要求这些特性直到被探测到才能被确定下来。其奇怪之处就像一个在北京的物理学家和一个在维也纳的物理学家他们同时掷硬币，并发现结果却(总是)同时是正面或者同时是反面。“我被这些量子悖论深深地吸引了，”潘建伟说道，“他们完全吸引了我的注意力，甚至让我不能去琢磨其他的事情。”他想去验证这些几乎是不可思议的论断，但是那时候在中国他还找不到一个合适的量子物理实验室。

那个时候，潘建伟们想成长为中国的物理学家，很自然的方式就是去美国学习。事实上，正因为如此地自然而然，从科大走出来的研究生们笑称他们的大学USTC实际上是“United States Training Centre”（美国培训中心）的缩写。但是潘建伟想师从一位量子实验的大师。而为他站出来的物理学家就是塞林格。

1989年，塞林格曾与如今在纽约城市大学的物理学家丹尼尔·格林伯格和马萨诸塞州伊斯顿石山学院的迈克尔·豪恩一起合作，在研究三个及以上粒子量子纠缠的一个重要原理。这一工作对这一领域以及对塞林格本人来说都是一个转折点。“在很多会议上，我意识到很多德高望重的老一辈物理学家开始将我视为量子理论的专家，”塞林格说道。到1990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需要一个学生来测试验证他的想法。那时的潘建伟正是他想找的那一个。因此，潘建伟做出了中国学生很少会做的举动，去了奥地利，开始了与塞林格一段足以见证他们在接下来的20多年在职业上协力发展的关系。

虽然只是一个研究生，潘建伟为着他的祖国胸怀很大的抱负。在他们第一次见面中，塞林格问潘建伟有什么样的梦想。“在中国建一个像你的这样世界领先的实验室”，潘建伟这样回答道。这让塞林格映像深刻。“当他刚来的时候，他对如何在一个实验室工作一无所知，但他很快掌握了游戏的规则并且很快就可以自己设计实验了，”塞林格说，“我一直知道他将有一个精彩的职业生涯，但没想到他会取得如此难以置信的成功，没有人能预料道的成功，我为他感到非常骄傲。”

潘建伟在塞林格的实验室里修炼的那段时间，世界各地的物理学家们开始慢慢地认可这个让潘建伟如此着魔的晦涩难懂的量子特性，可能被用以建造超强劲的量子计算机。那时候标准计算机还在咯吱咯吱地缓慢地处理着以二进制格式（以0和1组成的字符串）编码的信息。但早在1981年，物理学家理查德·费曼就已经提出了量子比特的概念，即“qubits”（量子位元），而不必受制于0、1逻辑的束缚。因为一个量子位元可以同时以0和1叠加存在，因此建造更快更强劲的量子计算机是可能的，量子计算机可以将多个量子位元纠缠并将一些计算以惊人的速度并行操作。

另外一个新兴的主意是用于诸如银行交易的超安全量子加密技术。其关键点是测量一个量子系统，从而不可撤销地破坏掉它。因此A和B两个人可以生成和共享一个量子密钥，安全在于知道窃取者的任何干预都将留下痕迹。

到2001年潘建伟回国的时候，量子科技的潜在价值已得到公认，这足以吸引中国科学院和中国国家自然科学基金的资助。“幸运的是，在2000年中国的经济开始增长，这正是开展好的科学研究的好时机，”潘建伟说。他开始去建造他梦想的实验室。

再表奥地利，与此同时，塞林格已调入维也纳大学，得益于自己的勃勃雄心，在这里他依旧不断地取得量子论领域的一个个突破。他的一个著名的实验展示了巴基球——含有60个碳原子的富勒烯分子——可表现出波和粒子两种行为，这一特殊的量子效应曾被认为是不可能存在于如此大的分子中的。“那时候每个人都在谈论用小的双原子分子来做这个实验，”塞林格回忆道，“我说：‘不要这样，伙计们，不要仅仅想到前面的一两步，要想着怎么去创造一个每个人都意想不到的大飞跃。’”

这一课让潘建伟很有心得。那个时候量子计算机之间已经能够建立连接，基于此，世界各地的物理学家们开始憧憬着未来的量子因特网。当多数的实践者还在为能够安全地获取跨越实验平台的量子信息而高兴的时候，潘建伟已经开始思考如何让量子通信贯穿整个地球。

【潘建伟在试验于地球和太空之间传送光子的各种技术手段。】

量子通信(隐形传态)的概念是由IBM公司在纽约的计算机科学家查尔斯·班尼特和他的同事在1993年第一次提出就名声大噪起来，按照陈宇翱的说法，这是因为它“就像是比星际迷航还牛逼的东西”，允许一个量子对象的所有信息在一个位置被扫描，然后在一个新的地方被复现。这里的关键就是量子纠缠(见 ‘Quantum at a distance slideshow’) ：因为对其中的一个纠缠态粒子的操作会影响其相互纠缠粒子的状态，而无论它有多远，因此这两个对象就可以像一根量子电话线的两个终端一样而被运行起来，从而在两处相隔遥远的位置间传送量子信息。

当要把两个在一起产生的纠缠态粒子送到“电话线”两头他们各自的终端，挑战就出现了。这一旅程充满了噪声、散射交互和各种方式的毁坏，任何一种方式都可以破坏精细的量子关联，而正是这些量子关联才使得通信得以工作。例如，如今纠缠态光子是通过光纤来传输的，但纤维吸收光，这将使得光子传输不了几百千米。标准的放大器并不能帮上这个忙，因为放大过程会破坏量子信息。陈宇翱所言，“对于传输距离超过一个城市的，我们就需要通过卫星来传输了。”

但是要穿过地球上混乱的大气层到达数百公里之上的卫星，量子纠缠特性可以在这段旅程中存活下来吗？为了找到答案，包括陈宇翱在内的潘建伟团队从2005年开始通过不断扩展洁净空气中的传输距离来进行地面可行性实验，来观察光子在撞上空气分子时是否会失去纠缠特性。但是他们也需要建立一个目标探测器，要足够的小以适合在卫星上装载，又要足够的灵敏方可从背景光中捕获被传输的光子。而且他们必须展示出他们可以让光子束在撞击探测器时足够紧致。

这一工作唤起了塞林格的竞争本能。“中国人那时候正在做这件事情，因此我在想，为什么不试一下呢？”他笑着说，“有一些友好地竞争总是好事儿。”这一竞赛也促使了传输距离的记录越来越远（见 ‘Duelling records’）。在过去的七年间，从合肥到北京长城再到最后的青海，中国团队通过一系列的实验来传输跨越越来越远的距离，现已超过97千米。研究人员在五月份通过在物理学预印本服务器arXiv上发表了一篇文章来宣布了他们的成果，这让奥地利团队很是懊恼，他们正在将自己在加那利群岛做量子传输实验的工作整理成文。奥地利的团队于八天后在arXiv上也发表了他们的文章，公布了一个新的传输距离记录：143千米。这篇文章紧接着在Nature杂志上发表。“我认为需要承认的事实是，各自的实验都有着不同的优点且是互补的，”维也纳大学的物理学家兼奥地利团队的成员马晓松（音译，Xiao-song Ma，下同）说。

【竞争记录：中国和奥地利的团队已相互竞争了七年来建立一个个新的里程碑——首先是为了将纠缠粒子分离，以定义成量子电话线的两个终端，其次是为了在这条线上传输信息。】

两个团队都赞同一点：任何对量子卫星通讯在科学上的疑虑都被平息了。如今，他们仅仅需要一颗卫星来开展实验以及一套运作机制来推进工作。塞林格团队已经在和欧洲航天局讨论一种可行的量子卫星计划，但这些对话渐渐地告吹了。“它的机制非常缓慢以至于没有做出任何决定，”塞林格说。欧洲航天局的犹豫为中国国家航天局腾出了空间。潘建伟已助力推进这一计划，一颗量子物理卫星将在2016年发射。这使得潘建伟领跑于量子空间竞赛，他的团队将承担大部分的科学试验。

成功之道

要建设第一个全球量子通信网络，如果没有可以与之讨论的搭档，也是无济于事的。因此潘建伟邀请他曾经的竞争对手加入他的项目。他们的第一个共同目标就是共建共用一个连接北京和维也纳的量子密钥。“往卫星上传输量子信息终将是一个庞大的任务，不是任何一个团队可以单独完成的，”马晓松说。

尽管推动技术前沿的发展是中国政府的着眼点，但因为另外一些原因，很多物理学家也对这个量子卫星计划迫不及待。“作为一名科学家，我的动力源于对物理学基础理论的探究，”陈建伟说。迄今为止，量子理论惊奇的现象可屡次在实验室中被复现，但它还从没有在伸展到外太空这样的距离上被试验，然后就有理由去思考它是否会在什么地方瓦解，它还会不会在那儿。在这些更大的范畴内，另外一个物理学的基础理论起着支配作用：广义相对论。相对论将时间描绘成与空间的三维相互交织的另外一个维度，因而建立四维的时空网来构成宇宙。引力的呈现是因为这张可塑的时空网在诸如太阳这样的大物体周围会弯曲，然后朝它们的方向拉动像行星这样比它们小的物体。

这里的挑战是量子理论和广义相对论对空间和时间概念的定义在根本上是不同的，物理学家们在努力地将二者归纳到一个统一的量子引力框架之内。在爱因斯坦看来，时空是完全平滑的，即使以无穷小的尺度来检验也是这样。尽管如此，量子不确定性却表明，在如此小的距离上检验空间是不可能的。在这一点上，量子理论和广义相对论有其一须做出让步，但并不确定到底该是哪一个。卫星实验就有助于测试量子理论的规则在引力场不可被忽略的尺度上是否还适用。

一个显而易见的问题就是量子纠缠是否可以在地球和卫星之间延伸。为了回答这一问题，这个团队打算在卫星上建立一系列的纠缠粒子对，将每一对的其中一个纠缠态粒子发送到地面站，然后测量其特性来验证这些粒子对是否还相互关联，并验证设备是否正常工作。“如果纠缠特性不在，我们就必须找到另一种理论来代替量子力学，”从事卫星传输协议工作的瑞士日内瓦大学的理论物理学家尼古拉斯·布伦纳说。

卫星计划还可以走得更远一点，来探测作为候补的那些量子引力理论对时空结构的一些预测。例如，所有的这些理论都猜测时空在10⁻³⁵ 米的尺度下将会变成粒状的，这一特征长度被称为普朗克长度。如果确实是这样，那么光子沿着这一粒状路径从卫星上传出将会有些许的变慢，他们的极化也会呈现出细微随机的旋转，由此产生的影响却可以大到被地面站获得。“卫星将打开一扇真实新颖的窗户，进入一个实验者们以前未曾访问过的体系，这感觉太妙了，”意大利罗马大学物理学家乔凡尼·阿梅里诺说。

潘建伟、塞林格和他们的团队最近正在仔细阅读近期的一些研讨会上所提出的观点，这些研讨会是在在加拿大滑铁卢的圆周理论物理研究院举办的，物理学家们都被要求把其他可能在卫星上加以验证的问题带到研讨会上。提出的问题包括：纠缠态粒子如何能一直知悉它遥远的搭档的测量结果？纠缠粒子对会不会以某种方式通过一些未知的信道来通信？当它被测量后，是什么导致了量子波函数的坍塌？这会和引力有关吗？时间是像广义相对论中所阐述的那样是一个被精确定义的量，或者也许像量子力学所期望的那样是一个模糊量？

潘建伟说要回答出这些问题就需要有极其灵敏的设备，如今通过团队的精诚协作，应对他们提出的技术上的挑战变得简单起来。奥地利团队也热切地抓住这次新的合作机会，就像塞林格所说：“我的一个学生已经开始学习中文了。”