為什么老外幾十年前就有bb84協議，量子通信還被中國領先？
2017-08-04 13:13:21 N作者：袁嵐峰 中國科學技術大學副研究員 科技與戰略風云學會會長
這個問題提得很專業，大多數人可能都看不懂題目說的是什么。
背景是這樣的：“量子通信”是一個大的研究領域，包括“量子密碼術”（又稱為“量子保密通信”或者“量子密鑰分發”）、“量子隱形傳態”（就是科幻電影中的“傳送術”）和“超密編碼”等，而其中唯一接近實用的只有量子密碼術。在媒體報道量子通信時，大部分情況下記者指的其實就是量子密碼術，而不是這整個領域。
實現量子密碼術的技術方案，科學家提出過若干種，都叫做某某協議（就像計算機科學中的“TCP/IP協議”），包括BB84協議、B92協議、E91協議、誘騙態協議等等。這其中BB84協議具有特殊的地位，因為它是最早的一個方案，是美國科學家Charles H. Bennett和加拿大科學家Gilles Brassard在1984年提出的，BB84是兩人姓的首字母以及年份的縮寫。
題目問的是：為什么1984年別的國家就提出了量子通信的協議，到現在這個領域卻成了中國領先？
回答其實很簡單：
一，中國科學家解決了大量的實際困難，把量子通信從方案變成了現實；
二，中國的領先主要是在實驗層面，在理論層面雖然也大有進步，但還遠沒有像中國的量子通信實驗那樣達到獨占鰲頭的地位。
打個比方，1786年意大利科學家伽伐尼就發現了生物電現象，但這離電的大規模應用還遠。要經過伏特、法拉第、麥克斯韋、赫茲、貝爾、愛迪生、特斯拉等人的接力，到一個世紀后人類才進入電氣化時代，而那時意大利已經不是領先的國家了。
在量子通信領域，中國科學家的成就包括：多次刷新在光纜中安全傳輸距離的世界紀錄（近十多年來，這些紀錄幾乎全都是中國科學技術大學的科學家創造的，成了科大內部的你追我趕），世界首次實現自由空間（就是在大氣層中，不通過光纜）的量子通信，世界首次實現衛星和地面之間的量子通信（即墨子號量子衛星），世界首次建立長達2000公里的量子通信線路（即量子通信“京滬干線”），提出“測量無關的量子密鑰分發”概念并實驗實現，把量子隱形傳態從一個自由度提高到兩個自由度，參與提出目前最先進的量子通信方案“誘騙態協議”（清華大學物理系王向斌教授是最初的幾個提出者之一），等等。
也許你無法理解這些成果的確切意思，那你只需要知道這些成果多次入選世界十大科技進展、世界十大物理學進展等大獎（兩個自由度的量子隱形傳態還被評為2015年世界十大物理學進展之首），也就明白它們的重要性了。
總而言之，中國在量子通信領域能后來居上，在技術層面是因為我們解決了大量的別人解決不了的問題，在國家層面是因為我國高度重視，投入了大量的人力物力。
潘建偉、郭光燦、杜江峰等研究者也發揮了超強的主觀能動性，創造了許多可歌可泣的故事。在這方面，可以參見《半月談》2017年第14期的報道《花開，在閃亮的日子——問訊量子世界的中國80后》（https://mp.weixin.qq.com/s/z7lxnchCfh95z3dK75JpVw）：
2017年5月以來，中國科學技術大學潘建偉院士團隊在量子科學的兩大核心領域——量子計算與量子通信先后取得了令世界矚目的突破性成果。
該團隊一大特色即在于成員多為“80后”“90后”，充滿青春朝氣與創新銳氣。除了斬獲國內外諸多榮譽的陳宇翱、陸朝陽等研究帶頭人，還有一大批青年研究員、博士后乃至博士生構成了中國量子“夢之隊”的中流砥柱。
近日，“夢之隊”的青年科學家接受半月談獨家訪問，首度開講中國量子科學“80后”追夢之路的動人故事。
量子光源是一種極其微弱的光信號。單光子級的光信號亮度，相當于一根蠟燭在140公里之外的人眼中的強度，要知道，人類肉眼能夠分辨蠟燭光亮的極限距離，大約才700米。
2008年，印娟和曹原被派到上海佘山，借助天文臺和衛星之間的光信號星地傳輸，證明單光子級別的光源也能被地面接收，為星地一體量子通信網絡提供實驗支撐。
一個無人嘗試過的題目。一年間，印娟在樓頂望遠鏡旁盯著電腦，曹原在樓下控制偏正補償，日復一日。
由于天氣、技術參數等多種因素影響，電腦上幾個月都沒有一絲信號。忽然有一天，驚喜降臨，望遠鏡和衛星交會在一起時，屏幕上出現了一絲微弱的抖動。
這是歷史上第一次證明，如果從衛星上發射單光子級的光信號的話，地面上是可以收到的。也就是說，基于衛星的量子通信是可行的。
走進量子世界，為后來人探出一條平穩的路，讓大家漸漸明白這個世界的用處在哪里，是中國量子科學人的初心。
做這樣的研究，就像是茫茫黑夜獨行，面前是一片混沌曠野，不知道研究方向是否正確，不知道要花費多少時間，不知道最后能不能做得出來。
何玉明有一段時間一直受這種焦慮的困擾。研究對象、測量技術……似乎處處都有不可預測的陷阱。從他考上博士的五年里，身邊的人一個個畢業或就業，他的研究卻依然舉步維艱。
在產生高品質單光子源的過程中，如何讓前后產生的光子保持極高的波包重合度，是國際所有研究團隊十多年來面臨的難題。
斯坦福大學實現了70%重合度，并把這一世界紀錄保持了十年，直到2012年何玉明所在的團隊通過探索一條嶄新的道路，一舉把這一紀錄提高到了接近100%。
誰都不知道他們能否成功，包括他們自己，為什么還要堅持？何玉明的理由是：“勸自己放棄，比勸自己堅持難多了。”
芮俊2005年進入中國科學技術大學，到今年整整12年。自從投身超冷量子化學，他跟在國外領先小組后面跑了4年。
2013年他開始搭實驗裝置，想去一家世界領先的實驗室參觀，對方并不很樂意，后來芮俊是“蹭”其他大學的團隊進去的。
美國麻省理工學院（MIT）的教授曾問他，為什么要跟著他們以前的路線做，不去開辟新方向。他老實回答說，我們經驗還不足。
沒有實驗室主頁、沒有論文……整整三年多時間，他們的團隊在國際上沒有任何“能見度”。
轉機出現在2016年。又一次按照MIT的方法設計實驗裝置、進行系統搭建，本應出現分子的實驗結果，只能看到對應的原子；調試了半天，分子倒是出現了，卻無法測量。
這是怎么回事？芮俊和團隊里的其他老師同學，花了3個月的時間琢磨，最終弄清楚了——他們為超冷分子研究打開了一個新方向。
“動手比MIT晚了5年，還能繞過他們辟出一條新路，這是我們最欣慰的。”芮俊說，2016年底，MIT開始有很多學生過來參觀他們的實驗室，結果發現，困惑芮俊及其同事的實驗現象，早在5年前MIT的論文里已經顯露出了信號，當時卻沒有引起重視。
科學研究不是一個方法不行，就趕緊換一個方法；而是不停地問自己，為什么這個方法不行。定位問題、復現問題、分析問題……要想解決問題，只有一步一步地往前走。
“必須把前一步的所有問題都解決，才能進入下一步。實驗做到最后，成不成基本上心里早就有數了。”與芮俊一樣實現超冷量子化學“逆襲”的吳湛如是說。
把量子糾纏源送上太空前，曹原和他的同事發現它的指標總是出現波動。不可能給天上的衛星配一個“維修工”，只有抓緊分析。
問題定位到一個指甲蓋大小的光學器件——光束分束器，然后做出50多套相同的試驗件，窮盡每一個疑點。
“容得下一張書桌”的中國科學技術大學，默默地給了他們“打怪升級”最大的包容；組建實驗室的時候，他們的導師潘建偉院士放開所有束縛，他們可以5年不發一篇論文；團隊各司其職，雜務最大程度為實驗讓步，讓大家可以持續高強度、高質量工作。
每一步的基礎都打得特別牢，取得理想成績便顯得“自然而然”。
曹原曾錯過一秒。本來“墨子號”衛星第一夜經過興隆地面站的時候，他就可以完成星地之間的光路鏈接，讓紅光和綠光在天空中相逢。
但是，由于地面望遠鏡的控制軟件版本出現問題，比真實時間快了一秒，第一個夜晚就這么錯過了。
是衛星上的載荷出了問題，沒有正常啟動嗎？曹原慌了，他和國家天文臺的同事張曉明，一遍遍復盤操作，想的只有一件事：一定要確認是地面的問題。
不到24個小時衛星就會再度過境，參與的所有人都等著光路鏈接成功，衛星正常運轉的那一刻。
“最后發現是地面的錯，長舒了一口氣。”他們找到了那一秒鐘。當衛星的綠光如同一顆耀眼的星劃過天際、最終和地面的紅光鏈接在一起時，曹原和張曉明不由自主地擁抱了一下。
徐憑不想錯過。知道西藏很苦，但沒想到阿里站會這么苦。
地面站位于海拔5100米左右的山上，不通電，靠太陽能供電。在阿里漫長的冬季，太陽能發的電只夠支撐實驗儀器運轉。
衛星都是在凌晨2到4點過境，實驗團隊幾乎每天都在深夜11點前后上山，凌晨5到6點下山。
為省電不能開空調，實驗室的溫度維持在零下15攝氏度。手機充不了電，拿出屋外就自動關機；用銼刀把冰銼開燒水泡面，面沒泡開，水已經全冷了……
但大家最記掛的還是儀器，僅余的電都用來驅動儀器元器件的取暖片。
裹著“秋褲+毛褲+牛仔褲+皮褲”的徐憑，和團隊其他成員一起，在高原上呆了150天。
“中間休息了半個月，回來結了個婚。”徐憑說。十年前潘建偉是陳宇翱的證婚人，如今，陳宇翱成了她的證婚人。
證明的不僅是婚姻，是十年光陰，更是中國量子科學人薪火相傳的探索精神與堅韌毅力。
十年前，國內的量子科學研究既沒有經費，也缺乏成熟環境，潘建偉將自己得意弟子陳宇翱、陸朝陽都送到了國際頂尖的實驗室，學成后，不用一句催促，他們又回到了中國。
今年4月份，在陳宇翱之后，芮俊競爭到了馬普哈佛量子光學聯合研究中心的博士后，將以中國量子第三代人的身份，到國際頂尖的實驗室工作。“我們有一個不會說出口的默契”。
“你在地球的軌道里，自由地飛；
我在對面的山頂上，寒風在吹。
一路順風，我們的量子衛星”。
在去年的院內活動上，張文卓把這首改編自《南山南》的《量子星》搬上了舞臺，曹原、廖勝凱都是主唱。這時離張文卓把《愛在西元前》改編為《愛在量子前》已有14年。
進入量子世界的機會，芮俊是撿來的，他大學時偶然聽了量子通信的講座；
曹原是碰來的，無意中得知科大有提前面試的計劃；
廖勝凱是拼來的，覺得畢業論文一定要經過驗證才能完美閉環；
張文卓是主動請纓來的，他堅信在這里望得見第二次信息革命的曙光，付出整個學術生涯也值得。
進入量子世界后，他們才明白這種“公無渡河，公竟渡河”的勇敢，對于自己，比對于那個世界重要多了。
