為什麼中國率先搞定了量子通訊衛星，而外國科學家只能羨慕嫉妒恨

去年年底一個晴朗的夜晚，在中緬邊境附近某處，地平線上出現一個綠點。「就好像一顆明亮的綠色恆星。」中國科技大學物理學教授陸朝陽在麗江郊區的一個觀測站，目睹了這一景象。

他和同事們必須眼疾手快。這個綠點其實是一道激光，發射這道激光的，是在480多公里高的地球軌道上飛行的一顆人造衛星。這顆衛星好比是燈塔，激光則是它發出的信號，播送著衛星的位置。激光將划過夜空，用不了十分鐘，就會消失在地平線下。

於是，團隊（成員來自中國的多家科研機構）用望遠鏡鎖定激光，搜尋他們真正的獵物：一個個微乎其微的紅外光子，是由衛星上搭載的特殊晶體產生。在過濾掉綠光後，他們盯住了自己的獵物——一種從未被發送過的量子信號。

這是一場意義深遠的實驗，目的是測試一種名為量子密碼學的嶄新技術，即用光子等量子粒子傳輸加密信息。但脆弱的量子粒子是出了名的難以傳輸。若用光纖發送，最多只能傳輸240公里，否則信號就會受損。想要在全國或全球範圍內發送信息，根本力不從心。

因此。研究人員很早就提議：用人造衛星遠距離播送量子粒子。在此次實驗中，人造衛星在兩個相距1200多公里的地面站之間連續發送單光子信息，創下紀錄。「在量子通信網路的拓展方面，這無疑是一個里程碑。」巴黎量子計算中心（Paris Center for Quantum Computing）副總監海倫·戴蒙德（Eleni Diamanti）說，他並未參與該實驗。

去年8月，中國酒泉衛星發射中心發射了這枚造價高達1億美元的人造衛星。發射前，研究人員在其中架設了一個由激光、反射鏡，以及一種特殊晶體組成的複雜系統。他們將一束激光射向晶體，使之產生光子對，也叫做糾纏光子。該晶體一次能產生600對光子對，但在地面上，兩個地面站每秒只能探測到大約一對。「這是一項艱巨的任務。」陸朝陽說，「就好像要在300米開外看清一根頭髮。」

陸朝陽

陸朝陽等研究人員認為，量子加密學也許是加密工具的未來。在執行正確的情況下，其傳輸協議如下：先檢測光子的特性，生成一個由1和0組成的密鑰，發給接收者；再用該密鑰加密信息，並把信息發送出去。按照量子力學的理論，如果有外人想要竊取密鑰，它就會立刻轉變為另一組數字。

就像薛定諤的貓，你不去看，貓就始終處於生與死的疊加態。你一看，它要麼活著，要麼已經死亡。同樣的道理，竊取行為會立刻改變構成密鑰的光子，也就是說，從理論上講，物理定律註定了竊取行為不可能成功。（但實際操作中，硬體不可能盡善盡美：現有的探測器還無法很精準地接收單一光子，可能會受到外部環境干擾 。）

潘建偉

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此次發射——以及實驗本身——都醞釀已久。中國科技大學的潘建偉是領導該項目的物理學家，早在2003年，他就提出了這一人造衛星實驗的設想。他的團隊約有100名成員，大家花了多年時間，精心設計、構建和調試這套激光與衛星系統。他們先是進行地面實驗：在幾公里距離內測試密鑰傳輸，隨後逐漸拉長距離。

但相對於同領域的其他研究團隊，他們的進展是相當生猛的，加拿大滑鐵盧大學物理學家托馬斯·詹寧威（Thomas Jennewein）說。最近，他成功地將一個量子密鑰從地面發送到了正在飛行的飛機上。

多年前，詹寧威曾多次提出過開展量子加密通訊實驗的設想，想要在國際空間站上進行類似實驗。「由於複雜性和成本等種種原因，那些項目都停留在研究階段。」他說，「但中國團隊說干就干，而且真的做到了。很了不起。」

中國在這個領域的進展之所以如此之快，是因為政府高層對這類技術十分重視，崑山杜克大學的丹尼斯·西蒙（Denis Simon）說，他是中國科學政策方面的專家。他說，因為得到了高層的首肯，所以省去了繁瑣的經費申請流程。政府對這種技術感興趣，是想藉助量子保密通信，服務國家利益。

與此同時，其他國家的研究人員也在嘗試類似的實驗——只不過面臨更多繁瑣的手續。戴蒙德的團隊向歐洲空間局遞交了一項提議，想以國際空間站為發射點，向歐洲的多個地面站點發送量子粒子。到目前為止，他們仍在等待歐洲空間局的回應。

美國也在進行類似的實驗，領導這方面工作的是保羅·科亞特（Paul Kwiat），伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的一名物理學家。實驗將在國際空間站上進行，美國宇航局（NASA）也參與其中。

但沒有一個國家像中國這樣充滿雄心。陸朝陽說，他的研究小組還計劃用一顆新的衛星進行同樣的實驗，該衛星所處軌道更高，能在相距更遠的城市間發送量子密鑰。他們想聯手奧地利的協作者，在兩國之間交換量子密鑰。

潘建偉說，到2030年，中國將發射一批這樣的衛星，建立起一個覆蓋全球的網路。「我們很幸運，能得益於一個高效的決策體制。」陸朝陽說。

當政治與科學的利益不謀而合時，其力量是無與倫比的。

翻譯：雁行

來源：Wired

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