為什么老外幾十年前就有bb84協(xié)議，量子通信還被中國領(lǐng)先？
2017-08-04 13:13:21 N作者：袁嵐峰 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員 科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會會長
這個(gè)問題提得很專業(yè)，大多數(shù)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(gè)大的研究領(lǐng)域，包括“量子密碼術(shù)”（又稱為“量子保密通信”或者“量子密鑰分發(fā)”）、“量子隱形傳態(tài)”（就是科幻電影中的“傳送術(shù)”）和“超密編碼”等，而其中唯一接近實(shí)用的只有量子密碼術(shù)。在媒體報(bào)道量子通信時(shí)，大部分情況下記者指的其實(shí)就是量子密碼術(shù)，而不是這整個(gè)領(lǐng)域。
實(shí)現(xiàn)量子密碼術(shù)的技術(shù)方案，科學(xué)家提出過若干種，都叫做某某協(xié)議（就像計(jì)算機(jī)科學(xué)中的“TCP/IP協(xié)議”），包括BB84協(xié)議、B92協(xié)議、E91協(xié)議、誘騙態(tài)協(xié)議等等。這其中BB84協(xié)議具有特殊的地位，因?yàn)樗亲钤绲囊粋€(gè)方案，是美國科學(xué)家Charles H. Bennett和加拿大科學(xué)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(xié)議，到現(xiàn)在這個(gè)領(lǐng)域卻成了中國領(lǐng)先？
回答其實(shí)很簡單：
一，中國科學(xué)家解決了大量的實(shí)際困難，把量子通信從方案變成了現(xiàn)實(shí)；
二，中國的領(lǐng)先主要是在實(shí)驗(yàn)層面，在理論層面雖然也大有進(jìn)步，但還遠(yuǎn)沒有像中國的量子通信實(shí)驗(yàn)?zāi)菢舆_(dá)到獨(dú)占鰲頭的地位。
打個(gè)比方，1786年意大利科學(xué)家伽伐尼就發(fā)現(xiàn)了生物電現(xiàn)象，但這離電的大規(guī)模應(yīng)用還遠(yuǎn)。要經(jīng)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(gè)世紀(jì)后人類才進(jìn)入電氣化時(shí)代，而那時(shí)意大利已經(jīng)不是領(lǐng)先的國家了。
在量子通信領(lǐng)域，中國科學(xué)家的成就包括：多次刷新在光纜中安全傳輸距離的世界紀(jì)錄（近十多年來，這些紀(jì)錄幾乎全都是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家創(chuàng)造的，成了科大內(nèi)部的你追我趕），世界首次實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信（即墨子號量子衛(wèi)星），世界首次建立長達(dá)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(guān)的量子密鑰分發(fā)”概念并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，把量子隱形傳態(tài)從一個(gè)自由度提高到兩個(gè)自由度，參與提出目前最先進(jìn)的量子通信方案“誘騙態(tài)協(xié)議”（清華大學(xué)物理系王向斌教授是最初的幾個(gè)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(jìn)展、世界十大物理學(xué)進(jìn)展等大獎(jiǎng)（兩個(gè)自由度的量子隱形傳態(tài)還被評為2015年世界十大物理學(xué)進(jìn)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(lǐng)域能后來居上，在技術(shù)層面是因?yàn)槲覀兘鉀Q了大量的別人解決不了的問題，在國家層面是因?yàn)槲覈叨戎匾暎度肓舜罅康娜肆ξ锪Α?/span>
潘建偉、郭光燦、杜江峰等研究者也發(fā)揮了超強(qiáng)的主觀能動(dòng)性，創(chuàng)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(bào)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(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)在量子科學(xué)的兩大核心領(lǐng)域——量子計(jì)算與量子通信先后取得了令世界矚目的突破性成果。
該團(tuán)隊(duì)一大特色即在于成員多為“80后”“90后”，充滿青春朝氣與創(chuàng)新銳氣。除了斬獲國內(nèi)外諸多榮譽(yù)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(gòu)成了中國量子“夢之隊(duì)”的中流砥柱。
近日，“夢之隊(duì)”的青年科學(xué)家接受半月談獨(dú)家訪問，首度開講中國量子科學(xué)“80后”追夢之路的動(dòng)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(dāng)于一根蠟燭在140公里之外的人眼中的強(qiáng)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(wèi)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(wǎng)絡(luò)提供實(shí)驗(yàn)支撐。
一個(gè)無人嘗試過的題目。一年間，印娟在樓頂望遠(yuǎn)鏡旁盯著電腦，曹原在樓下控制偏正補(bǔ)償，日復(fù)一日。
由于天氣、技術(shù)參數(shù)等多種因素影響，電腦上幾個(gè)月都沒有一絲信號。忽然有一天，驚喜降臨，望遠(yuǎn)鏡和衛(wèi)星交會在一起時(shí)，屏幕上出現(xiàn)了一絲微弱的抖動(dòng)。
這是歷史上第一次證明，如果從衛(wèi)星上發(fā)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(wèi)星的量子通信是可行的。
走進(jìn)量子世界，為后來人探出一條平穩(wěn)的路，讓大家漸漸明白這個(gè)世界的用處在哪里，是中國量子科學(xué)人的初心。
做這樣的研究，就像是茫茫黑夜獨(dú)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(fèi)多少時(shí)間，不知道最后能不能做得出來。
何玉明有一段時(shí)間一直受這種焦慮的困擾。研究對象、測量技術(shù)……似乎處處都有不可預(yù)測的陷阱。從他考上博士的五年里，身邊的人一個(gè)個(gè)畢業(yè)或就業(yè)，他的研究卻依然舉步維艱。
在產(chǎn)生高品質(zhì)單光子源的過程中，如何讓前后產(chǎn)生的光子保持極高的波包重合度，是國際所有研究團(tuán)隊(duì)十多年來面臨的難題。
斯坦福大學(xué)實(shí)現(xiàn)了70%重合度，并把這一世界紀(jì)錄保持了十年，直到2012年何玉明所在的團(tuán)隊(duì)通過探索一條嶄新的道路，一舉把這一紀(jì)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(jiān)持？何玉明的理由是：“勸自己放棄，比勸自己堅(jiān)持難多了。”
芮俊2005年進(jìn)入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，到今年整整12年。自從投身超冷量子化學(xué)，他跟在國外領(lǐng)先小組后面跑了4年。
2013年他開始搭實(shí)驗(yàn)裝置，想去一家世界領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)室參觀，對方并不很樂意，后來芮俊是“蹭”其他大學(xué)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)去的。
美國麻省理工學(xué)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(shí)回答說，我們經(jīng)驗(yàn)還不足。
沒有實(shí)驗(yàn)室主頁、沒有論文……整整三年多時(shí)間，他們的團(tuán)隊(duì)在國際上沒有任何“能見度”。
轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在2016年。又一次按照MIT的方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置、進(jìn)行系統(tǒng)搭建，本應(yīng)出現(xiàn)分子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，只能看到對應(yīng)的原子；調(diào)試了半天，分子倒是出現(xiàn)了，卻無法測量。
這是怎么回事？芮俊和團(tuán)隊(duì)里的其他老師同學(xué)，花了3個(gè)月的時(shí)間琢磨，最終弄清楚了——他們?yōu)槌浞肿友芯看蜷_了一個(gè)新方向。
“動(dòng)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(xué)生過來參觀他們的實(shí)驗(yàn)室，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，困惑芮俊及其同事的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，早在5年前MIT的論文里已經(jīng)顯露出了信號，當(dāng)時(shí)卻沒有引起重視。
科學(xué)研究不是一個(gè)方法不行，就趕緊換一個(gè)方法；而是不停地問自己，為什么這個(gè)方法不行。定位問題、復(fù)現(xiàn)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(jìn)入下一步。實(shí)驗(yàn)做到最后，成不成基本上心里早就有數(shù)了。”與芮俊一樣實(shí)現(xiàn)超冷量子化學(xué)“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(fā)現(xiàn)它的指標(biāo)總是出現(xiàn)波動(dòng)。不可能給天上的衛(wèi)星配一個(gè)“維修工”，只有抓緊分析。
問題定位到一個(gè)指甲蓋大小的光學(xué)器件——光束分束器，然后做出50多套相同的試驗(yàn)件，窮盡每一個(gè)疑點(diǎn)。
“容得下一張書桌”的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，默默地給了他們“打怪升級”最大的包容；組建實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候，他們的導(dǎo)師潘建偉院士放開所有束縛，他們可以5年不發(fā)一篇論文；團(tuán)隊(duì)各司其職，雜務(wù)最大程度為實(shí)驗(yàn)讓步，讓大家可以持續(xù)高強(qiáng)度、高質(zhì)量工作。
每一步的基礎(chǔ)都打得特別牢，取得理想成績便顯得“自然而然”。
曹原曾錯(cuò)過一秒。本來“墨子號”衛(wèi)星第一夜經(jīng)過興隆地面站的時(shí)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(yuǎn)鏡的控制軟件版本出現(xiàn)問題，比真實(shí)時(shí)間快了一秒，第一個(gè)夜晚就這么錯(cuò)過了。
是衛(wèi)星上的載荷出了問題，沒有正常啟動(dòng)嗎？曹原慌了，他和國家天文臺的同事張曉明，一遍遍復(fù)盤操作，想的只有一件事：一定要確認(rèn)是地面的問題。
不到24個(gè)小時(shí)衛(wèi)星就會再度過境，參與的所有人都等著光路鏈接成功，衛(wèi)星正常運(yùn)轉(zhuǎn)的那一刻。
“最后發(fā)現(xiàn)是地面的錯(cuò)，長舒了一口氣。”他們找到了那一秒鐘。當(dāng)衛(wèi)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(shí)，曹原和張曉明不由自主地?fù)肀Я艘幌隆?/span>
徐憑不想錯(cuò)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(fā)的電只夠支撐實(shí)驗(yàn)儀器運(yùn)轉(zhuǎn)。
衛(wèi)星都是在凌晨2到4點(diǎn)過境，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)幾乎每天都在深夜11點(diǎn)前后上山，凌晨5到6點(diǎn)下山。
為省電不能開空調(diào)，實(shí)驗(yàn)室的溫度維持在零下15攝氏度。手機(jī)充不了電，拿出屋外就自動(dòng)關(guān)機(jī)；用銼刀把冰銼開燒水泡面，面沒泡開，水已經(jīng)全冷了……
但大家最記掛的還是儀器，僅余的電都用來驅(qū)動(dòng)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(tuán)隊(duì)其他成員一起，在高原上呆了150天。
“中間休息了半個(gè)月，回來結(jié)了個(gè)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(xué)人薪火相傳的探索精神與堅(jiān)韌毅力。
十年前，國內(nèi)的量子科學(xué)研究既沒有經(jīng)費(fèi)，也缺乏成熟環(huán)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(shí)驗(yàn)室，學(xué)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(xué)聯(lián)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(shí)驗(yàn)室工作。“我們有一個(gè)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(fēng)在吹。
一路順風(fēng)，我們的量子衛(wèi)星”。
在去年的院內(nèi)活動(dòng)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(shí)離張文卓把《愛在西元前》改編為《愛在量子前》已有14年。
進(jìn)入量子世界的機(jī)會，芮俊是撿來的，他大學(xué)時(shí)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(jì)劃；
廖勝凱是拼來的，覺得畢業(yè)論文一定要經(jīng)過驗(yàn)證才能完美閉環(huán)；
張文卓是主動(dòng)請纓來的，他堅(jiān)信在這里望得見第二次信息革命的曙光，付出整個(gè)學(xué)術(shù)生涯也值得。
進(jìn)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(gè)世界重要多了。
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