相比于安東·蔡林格團(tuán)隊(duì)，潘建偉團(tuán)隊(duì)的進(jìn)度更快，并逐漸實(shí)現(xiàn)了從并挪到小幅度領(lǐng)先的趕超。
2010年，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)當(dāng)時(shí)世界上最遠(yuǎn)距離的16公里量子隱型傳態(tài)，首次否認(rèn)量子隱型傳態(tài)穿越大氣層的可行性，為未來(lái)基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通訊網(wǎng)奠定了可靠基礎(chǔ)。為了此次實(shí)驗(yàn)，潘建偉團(tuán)隊(duì)從2007年開始在上海古北口與湖南永清之間架設(shè)了一條歷時(shí)16公里的自由空間量子信道。
此后，潘建偉團(tuán)隊(duì)在湖南湖地區(qū)新建實(shí)驗(yàn)基地，舉辦驗(yàn)證星地自由空間量子通訊可行性的地基實(shí)驗(yàn)研究，從多個(gè)方面進(jìn)行攻關(guān)，借以突破基于衛(wèi)星平臺(tái)自由空間量子通訊的關(guān)鍵技術(shù)困局，并在2012年實(shí)現(xiàn)全球首個(gè)上百公里的自由空間量子隱型傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)，對(duì)星地量子通訊可行性進(jìn)行了全方位地面驗(yàn)證。
在這場(chǎng)量子學(xué)革命的科學(xué)大賽中，多個(gè)“世界首次”“世界首個(gè)”均來(lái)自于由潘建偉領(lǐng)銜的“中國(guó)隊(duì)”：在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)安全通訊距離超過100公里的光纖量子秘鑰分發(fā)、實(shí)現(xiàn)國(guó)際上首個(gè)全通型量子通訊網(wǎng)路、建成世界首個(gè)規(guī)模化量子通訊網(wǎng)路……“這標(biāo)志著中國(guó)在量子通訊領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國(guó)家逐漸發(fā)展為現(xiàn)今的世界勁旅，將領(lǐng)先亞洲和北美。”國(guó)際權(quán)威刊物《自然》雜志曾這么哀嘆。
中國(guó)團(tuán)隊(duì)的那些研究工作，證明了實(shí)現(xiàn)基于衛(wèi)星的全球量子通訊網(wǎng)路和舉辦空間尺度量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)的可行性。
挑戰(zhàn)世界最高難度
2010年3月31日，我國(guó)國(guó)務(wù)院第105次常務(wù)大會(huì)審議通過了中國(guó)科大學(xué)“創(chuàng)新2020”規(guī)劃，要求中國(guó)科大學(xué)“組織施行戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，產(chǎn)生重大創(chuàng)新突破和集群優(yōu)勢(shì)”。
2011年1月25日，中國(guó)科大學(xué)施行啟動(dòng)首批“4+1”個(gè)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)太空物理實(shí)驗(yàn)，其中就包括空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)。空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)第一批確定研制包括“墨子號(hào)”在內(nèi)的四顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。另外三顆分別為暗物質(zhì)偵測(cè)衛(wèi)星“悟空”、我國(guó)首顆微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“實(shí)踐十號(hào)”和硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“慧眼”。
“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星與阿里量子隱型傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建天地鏈路（2016年12月9日攝，合成相片）。新華社記者金立旺攝
“工程師的任務(wù)是技術(shù)實(shí)現(xiàn)，要把科學(xué)家的夢(mèng)想弄成現(xiàn)實(shí)。”量子衛(wèi)星工程常務(wù)總工師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說，2011年量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”項(xiàng)目即將立項(xiàng)后，更高難度的挑戰(zhàn)開始了。
量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是我國(guó)自主研制的星地量子通訊設(shè)備，突破了一系列高精尖技術(shù)，包括“針尖對(duì)麥芒”的星地光路對(duì)準(zhǔn)，偏振光態(tài)保持與星地基矢校準(zhǔn)，量子光源荷載等關(guān)鍵技術(shù)。
王建宇從2007年就開始參與量子衛(wèi)星的研究工作。他是中國(guó)科大學(xué)北京分院的副校長(zhǎng)、原中國(guó)科大學(xué)北京技術(shù)化學(xué)研究所主任，作為光學(xué)遙感系統(tǒng)專家，他的團(tuán)隊(duì)與潘建偉團(tuán)隊(duì)合作，在廣闊美麗的西藏河畔實(shí)現(xiàn)了百公里級(jí)自由空間量子通訊。
在2007年至2010年的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，研究團(tuán)隊(duì)將量子秘鑰形成的地方放到坐落寧夏湖湖心島的海心山上，從中間向兩側(cè)分發(fā)。
那時(shí)，白天團(tuán)隊(duì)成員們就睡在帳蓬里，同時(shí)還不能睡死，她們要弄死一批批有可能干擾設(shè)備的飛蟲。其中有位女研究生，從看到飛蟲就擔(dān)心，到后來(lái)弄成一邊做實(shí)驗(yàn)一邊面不改色地把飛蟲一只只拍死的“殺手”。
“以前做衛(wèi)星，多少能找到參考資料，但這個(gè)量子衛(wèi)星的工作，屬國(guó)際首次，完全沒有參考。”王建宇覺得太空物理實(shí)驗(yàn)，最困難的環(huán)節(jié)就是實(shí)現(xiàn)天地一體化移動(dòng)。
按潘建偉等科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，“墨子號(hào)”不僅是天上的那顆衛(wèi)星，它還包括地面系統(tǒng)：1個(gè)中心——合肥量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，4個(gè)站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通訊地面站，1個(gè)平臺(tái)——阿里量子隱型傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。衛(wèi)星和地面站之間，要做到最高精度的瞄準(zhǔn)和最靈敏的探測(cè)。
拉薩量子通訊地面站望遠(yuǎn)鏡發(fā)射綠色信標(biāo)光，“等待”“墨子號(hào)”過境（2016年12月22日攝）。新華社記者金立旺攝
光量子特別小，它是光的最小單位，必需要用極為靈敏的偵測(cè)器能夠偵測(cè)到；它的數(shù)目又特別多，“墨子號(hào)”衛(wèi)星每秒能分發(fā)1億光量子；據(jù)悉，它還姿態(tài)萬(wàn)千，能產(chǎn)生不同的量子編碼……
王建宇打了個(gè)比方：假如把光量子看成一個(gè)1元硬幣，星地實(shí)驗(yàn)就相當(dāng)于要在萬(wàn)米高空飛行的客機(jī)上，不斷把上億個(gè)硬幣一個(gè)個(gè)投到地面上一個(gè)不斷旋轉(zhuǎn)的儲(chǔ)錢罐里（偏振光檢測(cè)的基矢在變化），這不但要求硬幣擊中儲(chǔ)錢罐（瞄準(zhǔn)精度），并且要求硬幣確切射入罐子上修長(zhǎng)的投幣口（偏振光保持）。
為了讓穿越大氣層后光量子的“針尖”仍能對(duì)上接收站的“麥芒”，王建宇團(tuán)隊(duì)與潘建偉團(tuán)隊(duì)一道，從2012年起開始進(jìn)行了各類實(shí)驗(yàn)：收發(fā)距離40公里的轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，要與衛(wèi)星繞地運(yùn)行的角速率一致；30公里距離的車載高速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，要考驗(yàn)超遠(yuǎn)距離“移動(dòng)瞄靶”能力；熱氣球浮空平臺(tái)實(shí)驗(yàn)，在空地環(huán)境下模擬量子秘鑰分發(fā)……
如此困難的“針尖”對(duì)“麥芒”，其關(guān)鍵技術(shù)最終被一一擊潰，在十幾個(gè)研究所的幾百位科研人員的傾情投入下，衛(wèi)星的初樣完成了。
建立首個(gè)星地量子通訊網(wǎng)
32年前，人類歷史上首次量子通訊在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了，傳輸距離32分米。而今，中國(guó)人將這個(gè)距離擴(kuò)充了1400多萬(wàn)倍，實(shí)現(xiàn)了從地面到太空的多用戶通訊。
2016年8月16日1時(shí)40分，我國(guó)在蘭州衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載湖人成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空。新華社記者金立旺攝
2021年1月7日，國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)刊物《自然》雜志上發(fā)表了題為《跨越4600公里的天地一體化量子通訊網(wǎng)路》的論文。中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院宣布，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子秘鑰分發(fā)，標(biāo)志著我國(guó)已建立出天地一體化廣域量子通訊網(wǎng)雛型。
20年磨一劍，中國(guó)在量子通訊域?qū)崿F(xiàn)了從跟挪到領(lǐng)跑：量子保密通訊滬寧干線總長(zhǎng)超過2000公里，是目前世界上最遠(yuǎn)距離的基于可信中繼方案的量子安全秘鑰分發(fā)干線，該線路已于2017年9月末即將開通。“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星于2016年8月在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，完滿完成了預(yù)定的全部科學(xué)目標(biāo)。
“墨子號(hào)”牽手“京滬干線”，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院科研人員潘建偉、陳宇翱、彭承志等與中國(guó)科大學(xué)北京技術(shù)化學(xué)研究所王建宇研究組、濟(jì)南量子技術(shù)研究院及中國(guó)有線電視網(wǎng)路有限公司合作，建立了全球首個(gè)星地量子通訊網(wǎng)。經(jīng)過為期三年多的穩(wěn)定性、安全性測(cè)試，該通訊網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了跨越4600公里的多用戶量子秘鑰分發(fā)。
“要實(shí)現(xiàn)廣域量子通訊，就要解決光量子耗損、退相干等一系列技術(shù)困局，例如光量子數(shù)在光纖里每傳輸約15公里都會(huì)損失一半，200公里后只剩萬(wàn)分之一。”潘建偉說，科研團(tuán)隊(duì)在光學(xué)系統(tǒng)等方面發(fā)展了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，化解了這種困局。
全球首個(gè)星地量子通訊網(wǎng)路，覆蓋我國(guó)四省三市32個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括天津、濟(jì)南、合肥和重慶4個(gè)量子城域網(wǎng)，通過兩個(gè)衛(wèi)星地面站與“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星相連，總距離為4600公里，目前已接入金融、電力、政務(wù)等行業(yè)的150多家用戶。
目前，廣域量子通訊網(wǎng)路的雛型已基本產(chǎn)生，未來(lái)在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步促使量子通訊在金融、政務(wù)、國(guó)防、電子信息等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
《自然》雜志審稿人對(duì)此評(píng)價(jià)道，這是月球上最大、最先進(jìn)的量子秘鑰分發(fā)網(wǎng)路，是量子通訊“巨大的工程性成就”。星地量子通訊網(wǎng)的建成，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的“量子網(wǎng)”奠定科技基礎(chǔ)，也為相對(duì)論、引力波等科學(xué)研究，提供了前所未有的“天地實(shí)驗(yàn)室”。
親歷者說
潘建偉：給量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星起名“墨子”是為彰顯我國(guó)科研自信
◎科技商報(bào)記者吳羊毫
2016年8月16日，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在九泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空。
“現(xiàn)在看發(fā)射錄象覺得很輕松，但似乎在發(fā)射前30秒，我仍然手掌合十。雖然沒念阿彌陀佛，卻也在默念老天祈求，希望衛(wèi)星能成功步入太空。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)、中國(guó)科大學(xué)教授潘建偉追憶道。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院供圖
潘建偉說，給這顆衛(wèi)星取“墨子號(hào)”這個(gè)名子，是由于墨子是中國(guó)歷史上的第一位科圣。墨子生活在2400年前，他主張“兼愛、非攻”，也就是平等、博愛、反對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)。
“墨子在法家專著《墨經(jīng)》里面講到‘端，體之無(wú)序而最后者也’。這個(gè)‘端’指的是小顆粒，是組成所有物質(zhì)的最基本的單位。”潘建偉說，從這個(gè)含意上講，墨子是所有科學(xué)家上面最早提出原子概念雛型的人。與他同時(shí)期的意大利的科學(xué)家、哲學(xué)家德謨克利特也提出了相同的觀點(diǎn)。據(jù)悉，墨子在《墨經(jīng)》里面還提出“止，以久也，無(wú)久之不止”。久是力的意思。這句話說的是一個(gè)物體之所以會(huì)停出來(lái)，主要由于遭到力的作用，假如說沒有阻力的話，一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)是永遠(yuǎn)不會(huì)停止的。
“這與我們?cè)谛W(xué)學(xué)到的牛頓慣性定理是完全一樣的。不過，與墨子同時(shí)期的知名哲學(xué)家亞里士多德卻說，假若一個(gè)物體不遭到力的作用都會(huì)停出來(lái)。后來(lái)牛頓提出了慣性定理，否定了亞里士多德的觀點(diǎn)。”潘建偉說，早在2000多年前，我國(guó)就早已有一位偉大的科學(xué)家提出了特別基本的數(shù)學(xué)學(xué)概念。
“有種說法，中國(guó)人似乎不適宜做科研。我們當(dāng)時(shí)取‘墨子號(hào)’這個(gè)名子，就是想告訴你們：中國(guó)人可以做好科研。”潘建偉說，起名“墨子”正是為彰顯我國(guó)的科研自信。
據(jù)悉，墨子還做了一項(xiàng)很重要的工作，其與光學(xué)研究有關(guān)。“現(xiàn)在我們都曉得光線是沿直線傳播的，但在古時(shí)侯人們并不清楚這個(gè)事情。怎樣通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明光是順著直線傳播的呢？”潘建偉說，墨子在2000多年前就做過一個(gè)小孔成像實(shí)驗(yàn)。他站在門外邊，在門上挖一個(gè)小孔，門上面有一面墻，結(jié)果發(fā)覺墻壁的影子是倒過來(lái)的。我們曉得光只有順著直線傳播就會(huì)有這些現(xiàn)象。我們將世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星起名為“墨子號(hào)”，一方面是為了記念墨子在我國(guó)科學(xué)方面所做出的一些重大貢獻(xiàn)，同時(shí)也為了記念他在光學(xué)研究方面所取得的一些成就。
大事記
2006年
我國(guó)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了超過100公里的引誘態(tài)量子秘鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)
2008年
我國(guó)首個(gè)3節(jié)點(diǎn)全通型量子保密電話網(wǎng)路在西安試驗(yàn)成功
2016年8月
世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空
2017年9月
量子保密通訊“京滬干線”正式開通，并與“墨子號(hào)”成功對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了洲際量子保密通訊,全球首個(gè)天地一體化的廣域量子通訊網(wǎng)路初具雛型
2020年2月
我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了500公里量級(jí)真實(shí)環(huán)境光纖的雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)和相位匹配量子秘鑰分發(fā)
2020年6月
“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)基于糾纏的量子秘鑰分發(fā)
2021年1月
我國(guó)宣布建成跨越4600公里的天地一體化量子通訊網(wǎng)路