2022年10月4日，諾貝爾數學學獎授予在量子信息領域作出開創性貢獻的三位科學家。在諾獎官方介紹的相關工作里，談到了中國科學家主導或參與的8篇文章，其中，星地量子秘鑰分發、星地量子秘鑰分發、器件無關量子秘鑰分發是對量子信息，尤其是量子通訊領域的重要發展和推動，完全由中國的潘建偉教授團隊設計完成，再者人類首次實現量子通訊，7600公里洲際量子通訊實驗也是由該團隊主導的墨子號量子衛星實現。
中國農大的印娟院士，是團隊最初期的成員之一，當她還是一名大二中學生的時侯，就結緣量子，隨后的二六年，她和“墨子號”量子通訊衛星牽手前行，共同成長，見證了中國在量子通訊領域從超越到領跑的歷程。
2016年，隨著”墨子號”順利升空并在軌工作，“量子通訊”成了家喻戶曉的科技熱門詞。對印娟來說，她目送墨子號駛向太空，像看著撫育多年的女兒踏上征程。那種時刻，印娟腦中涌現的，是十多年前的大蜀山，13公里自由空間單向量子糾纏分發實驗，他們證明了用衛星實現量子通訊的可行性。借此為起點，印娟和團隊男子伴們并肩作戰十多年，在氣候凌冽的湖南湖、在銀漢高懸的山西南山、在世界屋脊拉薩阿里、在群山起伏的廣東興隆，凝望星空，腳塌實地，一步步讓自由空間量子通訊從理論弄成現實。
作為團隊中的女人成員，印娟從來沒有在堅苦的工作環境中膽怯。她和所有人一樣，以夢想為馬，與辛酸相隨，用出眾的工作將量子信息從深奧的詞匯弄成服務國家、惠及民生的硬核法寶。
在墨子沙龍“她力量”專場，印娟院士帶來了她心里的量子故事。
哪些是量子熱學
精典化學學在19世紀末20世紀初，早已發展得很完備。我們生活中的宏觀、低速的場景，精典化學學都能給出挺好的預測和解釋。日月星辰、蘋果小球，都遵守著同樣的運行規律，如同只要曉得了體系的初始狀態，旁邊的一切演變都是確定的。
然而，真的是這樣嗎？假如明天宇宙中的一切早在大爆燃的那一刻就決定了，人類的努力還有沒有意義？
1900年，隨著普朗克提出了量子的能量說，人類步入量午時代，就在哪個群星璀璨的時代，愛因斯坦提出了光量子的效應；玻爾描述了原子的基態；薛定鍔用一個多項式來描述機率波的世界；海森堡提出了“測不準原理”。好多科學家共同描述了量子世界的面容。
這么，量子是哪些呢？
量子是構成物質的最基本的單元，是能量的最基本的攜帶者，例如光子、原子、分子。而且，我們說它早已是最基本的單元，意味著它就不可以再往下細分了。
量子有哪些樣的特點？我們可以將其與精典化學進行對比：在精典數學學的理論之下，我們可以用0和1作為比特來描述世界；而在量子世界里，因為量子疊加，比特可以處在0或1，也可以處在0和1的疊加的狀態。
以光子為例，光子既是粒子也是波，它有波動的特點，它震動的方向就稱作極化方向。極化方向可以在任何一個方向，可以是水平的，或則是垂直的，也可以處在兩者的疊加態。
當我們對極化方向去做檢測的時侯，結果并不是確定的，它有50%的機率在水平，有50%的機率在豎直，這就是它的疊加性。須要說明的是，這個量子疊加特點是單粒子的狀態。
若果是雙粒子或則更多的粒子出現的時侯，還會出現了量子熱學的真諦——量子糾纏。
我用胞胎來打個比方，一個同卵的胞胎，雖然在世界上不同的地方，假如其中一個的眼睛是藍色的，你不用去看另外一個，就可以曉得他的雙眼肯定也是一樣的顏色。而實際上在量子糾纏這個問題上，情況要更復雜一些：在你沒有去檢測他眼睛顏色之前，眼睛顏色是處在一個疊加狀態的，它有一定的機率處于黃，一定的機率處于藍。但當你去看其中一個女兒眼睛顏色的時侯，另一個兒子的眼睛也處在了同樣的狀態。愛因斯坦覺得，這是不可思議的，他把這些現象稱之為“遙遠地點之間的奇特互動”。他覺得必需要力證這個事情的荒誕。
1935年，愛因斯坦跟勃艮第斯基、羅森三個人發表了一篇文章，來指責量子熱學的完備性。
由于他覺得，身處兩地的胞胎，眼珠的顏色肯定是預先確定的。一旦你見到其中一個的顏色是藍色，會有一個“超人”立刻告訴遠處的另一個人，讓他也弄成黑色。這個“超人”非常強悍，趕超了我們的日常理解，愛因斯坦把它稱作隱變量。愛因斯坦覺得，粒子的原始狀態是確定的，之所以會出現“遙遠之間的奇特互動”，是由于有一個隱變量在操縱。而那篇文章，由于三位作者的名子，被叫做EPR佯繆。
這就是在當時兩種量子熱學學派的爭辯。一派以愛因斯坦為代表，他覺得世界是定域實在的，事物本身都是確定的，只要傳播的速率沒有超過光速，兩地的狀態就來不及形成關聯。而以玻爾為代表的另一派則覺得，量子是有非定域性的，在非局域上才能同時有相應的變化形成。
兩個學派爭辯了幾六年，仍然都處在哲學思辨的層面。總算，貝爾在1964年，想出了一種方式，來證明隱變量的存在。他從EPR佯謬出發來做結論，設計了一個不方程，假定有這樣一個隱變量存在，這個不方程的結果不會超過2。但若果量子熱學糾纏是存在的，這個結果會超過2。
貝爾不方程為實驗驗證愛因斯坦和玻爾誰對誰錯提供了思路。這么，接出來就是從不方程的物理方式到實驗驗證。John、和他的中學生Horne，兩組人同時舉辦實驗方案的設計，后來再加上Holt，她們四個人產生了一個稱作CHSH（以其姓氏首字母命名）的不方程，這樣，貝爾不方程往實驗可驗證的路上進了一步。
后來，她們四個人又分成了三個組，去繼續實驗。1972年，第一個用量子糾纏檢驗了貝爾不方程，證明量子熱學是正確的。不過，既然是第一個實驗，就有考慮不周的地方——既然是檢驗遙遠距離之間的影響，相互就不能“竊竊私語”，而的實驗設備距離很近，檢測也都是固定的，如同分別對兩個兒子進行考試，她們離得太近相互偷窺，即使沒有糾纏，他倆的答案還是互相對應的。
Alan發覺了這個問題，他的實驗設計，才能滿足遙遠之間相互不影響，也就是我們說的類空間隔，證明了量子熱學的正確。
但Alan的實驗還是有漏洞——測量方向是周期的，假如隱變量真的存在，或許還能像超人一樣，依照這個周期來操縱實驗結果。所以，1998年，進一步改進實驗，他讓檢測方向弄成隨機的，關掉了這個局域性漏洞。
接出來，讓我們把腦洞再開大一點，考慮到在這種實驗里，偵測到的那些糾纏，雖然是形成的這些糾纏里的特別少的一部份，其實，超人又來“使壞”了，他故意讓你看見那有關聯的少部份，這就是所謂偵測漏洞。所以，后來一些科學家不斷改進實驗，最終同時關掉了定域性漏洞和偵測漏洞，事實證明，所有的實驗都驗證了量子熱學的正確性。
其實，嚴格來說，貝爾不方程假定的都是十分完美的條件人類首次實現量子通訊，所以目前還有相關的漏洞沒有嚴格關掉，還須要科學家繼續往下走。
這種故事講完了，我們如今來看去年的諾貝爾化學學獎：得獎者是Alan、John、Anton。獎勵她們用糾纏光子進行實驗，確立了貝爾不方程的遵守，開創了量子信息科學。是的，量子糾纏除了有理論上的革命性意義，還可以幫助我們做好多事。例如上面提及的Anton，提出并實現了三粒子糾纏，貝爾不方程得到了更強有力的驗證。據悉，多粒子糾纏還被證明可以干別的事情，例如，量子通訊，量子估算，量子精密檢測等。
量子通訊的故事
量子熱學是一個革命性的觀念，對量子熱學的一些根本性的問題，科學家還在繼續研究，并且對量子的應用已經展開。明天，我想介紹量子信息科學中的重要部份——量子通訊。
首先是量子秘鑰分發——光子不可再分，監聽者是沒有辦法搶走一半的，只要通訊的雙方共享了量子態，監聽者一旦有檢測行為，最后通訊雙方通過比對就必將會發覺，經過比對檢驗過的秘鑰，再結合一次一密的加密方法，我們就可以在原理上實現無條件安全的通訊方法。
原理上無條件安全的通訊方法
另一個是全新的量子通訊的形式——量子隱型傳態。就是借助量子糾纏，將量子信息傳送到另一地點，而不用傳送信息載體本身。
量子隱型傳態示意圖
在影片《星際迷航》里，就有這樣的過程。我們來想像一下，我們廣州的實驗室有跟廣州某個實驗室互相糾纏的物質，我把自己跟北京的這團物質檢測一下，檢測的結果通過網路發去廣州。南京方面按照收到的檢測結果，做一次操作，我就在那兒下來了。其實，檢測一個人的所有信息如今還辦不到。并且在我們現有的實驗室里，多體、多終端、多自由度、多維度的量子隱型傳態是在逐漸實現的。
現今來看一看關于量子通訊初期的原理性驗證，1992年，科學家實現了首次的量子秘鑰分發，當時的距離只有32公分，整個裝置又大又粗糙，屬于原型演示。而最早的量子隱型傳態實驗，則是1997年，由、潘建偉、Anton共同完成的。該實驗在1999年榮獲了《》物理學百年的21篇精典論文，當時入圍的論文工作包括倫琴的X射線，還有愛因斯坦的相對論等。到去年為止，這21篇論文全數榮獲諾貝爾獎。
從實用的角度說，既然是量子通訊，就要實現遠距離。光子在光纖上面是有固定的耗損的，遠距離量子通訊，須要量子中繼，而更有效的方法，就是自由空間的量子通訊，不僅大氣層這段，外太空幾乎沒有對光子的耗損和退相干。
我是20年前步入實驗室的，當時潘老師的組里就早已提出自由空間的量子通訊。對于這樣一個很大膽的看法，你們就會感覺有點天方夜譚，但實際上我們就是如此一步步往下走出來的。
大氣層等效寬度是8公里，我們首先做了13公里自由空間量子糾纏和秘鑰分發實驗、16公里自由空間量子隱型傳態實驗。第二步，為了驗證在高耗損星地鏈路中進行量子通訊的可行性，我們又在江西湖進行了百公里級自由空間量子糾纏分發和量子隱型傳態。第三步，為了驗證各類衛星運動姿態下進行星地量子通訊的可行性，我們在湖南湖進行了星地量子通訊的全方位地基驗證。
在自由空間量子通訊的國際競爭中，我們國家率先于2011年11月啟動了中科院“量子科學實驗衛星”的先導專項計劃，并于2016年成功發射“墨子號”量子科學實驗衛星。
“墨子號”發射至今，成果不斷涌現。星地單向糾纏分發和貝爾不方程檢驗、星地量子秘鑰分發、地星量子隱型傳態，都早已達到了千公里水平。
諾貝爾獎公布新聞發布會上展示“墨子號”研究成果
在去年諾貝爾獎公布新聞發布會上，“墨子號”研究成果被重點介紹。諾獎官方深度剖析里，也引用了中國人的一些工作。具體來說，一共是引用了我們中國科學家，尤其是潘建偉院士的七篇文章。其中四篇文章是潘老師在法國維也納追隨Anton讀研究生期間的工作，這種工作直接貢獻到了Anton此次拿諾貝爾獎的成就。另外三篇，純粹是我們國外實驗室做的工作，分別是星地量子秘鑰分發、地星量子隱型傳態、器件無關的量子秘鑰分發。潘老師是這種實驗看法的提出者、實驗方案的設計者，根據諾獎官方剖析，那些是對量子信息領域，尤其是量子通訊領域的重要推動。2017年，我們的三個主目標完成了以后，“墨子號”實現了上海和維也納之間的7600公里洲際量子通訊，2018年1月，文章發表。
“墨子號”取得的成功，迸發了國際上好多國家投入空間量子通訊計劃，目前，我們不管是在“墨子號”，還是后續的低軌小衛星，都還是在國際上保持領先。未來，我們希望通過太空中低軌、高軌的衛星組網，實現天地一體化的廣域量子通訊保密體系，但是與精典的通訊網路實現無縫的鏈接，來建立具有國際推動地位的戰略性新興產業和下一代的國際信息安全生態系統。
在基礎數學方面，可能會結合我國的登月計劃，舉辦觀測者參與的量子熱學非定域性檢驗。
我對科研的感受
從我進實驗室開始，早已和量子糾纏“糾纏”了二六年。我們目前的量子糾纏光源都是借助各類各樣的晶體自發熱阻下轉換形成的。我清楚地記得，進實驗室第三天，我的教師楊濤老師讓我站到實驗平臺的尾端，問我能不能見到示意圖上的綠點。我說我聽到的是紅的，他肯定了我的答案，說你是實驗室第二個看見糾纏的人。后來，我去多光子平臺上成功調出了干涉曲線，潘老師和師弟們也在各類場合，說當初第一個多光子平臺干涉曲線是我調下來的。那些肯定和鼓勵讓我樂意堅持20年繼續在這個領域做下去。所以旅長的贊揚，對于長輩來說，有特別大的推動作用。
在我成為導師以后，也開始獨立帶研究生，我的組里女研究生好多。在墨子號的研發過程中，好多女孩參與其中。他們除了悉心、而且堅忍，在西藏湖那樣堅苦的環境下，搭帳蓬、手搖發電機煮飯都沒有難倒他們，在阿里5100米的高原上，女孩們帶著氫氣面罩一樣向前沖，論剛毅程度，我覺得不存在性別的差別。所以從這個角度上來講，我投檔研究生是不挑性別的，只要男性有意愿和興趣從事科研，我都會支持她，由于興趣能支撐你走很遠。
印娟，中國科學技術學院院長，“墨子號”量子科學實驗衛星量子糾纏源荷載校長設計師。2011年獲中國科學技術學院理學博士學位。從事基于遠距離量子糾纏的量子化學實驗研究，完成了千公里級星地單向量子糾纏分發和無中繼量子秘鑰分發等，首次實現可覆蓋全球的廣域量子通訊。曾獲北京市巾幗創新新秀獎、美國科學推動會克利夫蘭獎、中科院杰出科技成就獎（研究集體）、全國三八紅旗手等榮譽。