8月16日1時40分,我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運(yùn)載火箭成功發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星“墨子號”?!澳犹枴痹谖磥韮赡甑脑谲夁\(yùn)行里,將會配合五個地面臺站,首次在太空與地面之間開展遠(yuǎn)距離量子通信的實(shí)驗研究,為建立一個極其安全的覆蓋全球的通信網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ),同時將開展對量子力學(xué)基本問題的空間尺度實(shí)驗檢驗,加深人類對量子力學(xué)自身的理解。
量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射成功
取名“墨子號”正是對這顆“世界首發(fā)”衛(wèi)星的最好定義?!澳邮悄壳皳?jù)文獻(xiàn)記載第一個通過科學(xué)實(shí)驗驗證光線沿直線傳播的科學(xué)家。從某種意義上,他也是第一個提出牛頓第一定律的人?!绷孔有l(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉說。
同時,對于量子通信的質(zhì)疑也紛至沓來。潘建偉說,他歡迎基于科學(xué)實(shí)驗的嚴(yán)肅的質(zhì)疑。同時他表示,盡管目前中國量子通信已走在世界前列,但在量子計算、量子模擬和量子精密測量等量子技術(shù)上還有很長的路要走,“面對量子技術(shù)上激烈的國際競爭,我們還需要非常艱苦的努力。”
訪談嘉賓潘建偉:量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授
潘建偉院士
研制過程:每一次困難都讓人近乎絕望
潘建偉在接受《自然》專訪時表示,量子衛(wèi)星的首要任務(wù)是在衛(wèi)星和北京地面站、衛(wèi)星和維也納地面站之間建立量子密鑰分發(fā)。衛(wèi)星將量子密鑰分發(fā)到兩個站點(diǎn),通過比對最終建立絕對安全的量子密鑰。擁有相同量子密鑰的兩個站可以把使用量子密鑰加密的信息通過互聯(lián)網(wǎng)、無線電話等經(jīng)典通信方式傳遞而不用擔(dān)心信息的泄露,這種通過量子衛(wèi)星發(fā)射的密鑰可以做到一次一密。從衛(wèi)星研制到發(fā)射的四年多時間里,潘建偉團(tuán)隊遇到無數(shù)困難,每個困難都是一個坎,都有可能導(dǎo)致衛(wèi)星發(fā)射失敗。
鳳凰資訊:量子通信的基本原理是什么?
潘建偉:量子通信的基本原理有兩條:一是量子信息的傳播媒介單光子不可分割,二是未知的光子狀態(tài)是不可復(fù)制的。首先,我們的物質(zhì)世界由很多基本元素顆粒組成。當(dāng)太陽光照過來時,這束光是由一顆顆小顆粒組成,這種小顆粒就叫光子。光子是光的最小組成單元,具有不可分割性。第二,光子在真空中傳播時有一種特性——偏振。它會沿著水平方向和垂直方向振動。這兩種光子的振動狀態(tài)分別用0和1表示,假設(shè)用0表示水平振動,用1表示豎直振動。根據(jù)量子力學(xué)的原理,在尚未被觀察時,光子的狀態(tài)處于0和1的疊加態(tài),并不知道是0或是1。如果你嘗試去觀察它,就會對它有干擾,光子狀態(tài)會被破壞,所以這種振動態(tài)是無法被精確復(fù)制的。
鳳凰資訊:發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星的目的是什么?
潘建偉:發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星主要有三方面的目的,第一目的是做衛(wèi)星和地面之間的量子通信;第二是能夠通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的糾纏光子分發(fā),測試量子糾纏現(xiàn)象,并在遠(yuǎn)距離地點(diǎn)之間對量子力學(xué)預(yù)言的非定域性進(jìn)行檢驗。量子糾纏是量子世界中的一個典型現(xiàn)象,即一對處于量子糾纏態(tài)的粒子,即使相隔極遠(yuǎn),當(dāng)其中一個狀態(tài)改變時,另一個狀態(tài)也會即刻發(fā)生相應(yīng)改變,這是量子非定域性的一種表現(xiàn);第三個目的是做量子信息的遠(yuǎn)距離傳送,學(xué)術(shù)的語言叫做量子隱形傳態(tài)。之所以要做衛(wèi)星和地面之間的量子通信的原因是,盡管我們現(xiàn)在用光纖上網(wǎng),但量子通信的信號在光纖里傳輸一百公里之后,99%的信號都損耗掉了,那么如果想做一千公里的量子通信,哪怕是把目前全世界所有頂尖技術(shù)都用上,每三百年也才能傳送一個信號,量子通信就沒價值了。但是上天之后,通過量子衛(wèi)星則可以傳播幾百K的密鑰,大大提高量子保密通信的密鑰分發(fā)數(shù)量。
鳳凰資訊:在發(fā)射量子衛(wèi)星之前,做了哪些前期工作?
潘建偉:量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星走到今天,其實(shí)是一個非常有趣的故事。其實(shí)第一個量子密鑰分發(fā)的實(shí)驗就是在自由空間上實(shí)現(xiàn)的,那時大概做了32厘米。九十年代,有美國的科學(xué)家又把量子密鑰分發(fā)做到了100米、200米。但是在自由空間進(jìn)行量子通信面臨的問題是地面上有很多障礙物,光線會遇到阻擋,一旦被阻擋,不就傳輸不了了嗎?所以后來大家就把主要精力放在了在光纖里進(jìn)行量子通信上。
2000年,大家在光纖里的演示能夠做到幾十公里,距離一長就出現(xiàn)損耗,再做一百公里距離的量子通信就做不了了。這時,大家開始思考如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信。2002左右,國內(nèi)的學(xué)者以及一些國外的學(xué)者就開始做一些實(shí)驗,試驗遠(yuǎn)距離量子通信的可能性。2004年,我們通過實(shí)驗證明光子在穿破大氣層之后能很好地存活。2005年我們發(fā)表了論文,2006年就向中國科學(xué)院提出來我們要做量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星。2007年科學(xué)院給了一筆經(jīng)費(fèi)在地面上進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和相關(guān)研究,我們和中科院上海技術(shù)物理研究所、中科院上海微小衛(wèi)星工程中心和中科院光電技術(shù)研究所合作進(jìn)行地面研究。經(jīng)過幾年的研究之后,團(tuán)隊通過很多實(shí)驗證明上天的可行性,于是到2011年底,中科院正式立項支持量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星的項目。2016年6月,將近4年半時間我們把衛(wèi)星研制出來了。
鳳凰資訊:衛(wèi)星研制到發(fā)射的過程中遇到了哪些技術(shù)難題?
潘建偉:中間遇到太多絕望的事,經(jīng)歷了無數(shù)艱辛和坎坷最后才能發(fā)射成功的。例如在信號上天的方式上,我們有很多種設(shè)計,一種是天上往地面發(fā),一種是地面往天上發(fā),還有一種是從地面往天上發(fā),在衛(wèi)星上做一個反射鏡,把狀態(tài)改變一下再發(fā)回地面。最后我們證明,還是從天上往地面發(fā)是最最方便的,但中間要進(jìn)行很多次復(fù)雜的計算和論證。
還有探測器放到天上后,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過宇宙射線的轟炸,一個星期就死掉了。但我們需要機(jī)器能夠工作兩年,那就需要解決如何讓探測器的壽命提高到能夠工作一至兩年的水平。
另外,量子通信在光學(xué)方面要求是非常高的,衛(wèi)星快速飛行的同時必須保證地面的光學(xué)天線能夠緊跟衛(wèi)星的節(jié)奏,才能實(shí)現(xiàn)信號的準(zhǔn)確接收。比如在一萬米高空的飛機(jī)上,看到地上有一個儲蓄罐,現(xiàn)在從飛機(jī)上投硬幣,必須保證每個硬幣都能夠扔到儲蓄罐中,這個技術(shù)發(fā)展是非常困難的。其次衛(wèi)星發(fā)射的光信號非常微弱,我們必須解決微弱光線的接受問題。
面對質(zhì)疑:無條件的通信安全是完全合理的
根據(jù)量子理論,微觀粒子可以處于量子疊加態(tài),例如光子可以同時存在水平振動和豎直振動兩種狀態(tài)。兩個光子制備到相互糾纏的狀態(tài)時,當(dāng)測量出一個光子的狀態(tài)是向上的,那么另一個光子就會發(fā)生塌縮變成向下狀態(tài)。用薛定諤的貓作比喻,當(dāng)A貓和B貓形成糾纏態(tài),無論這兩只貓相距多遠(yuǎn),A貓活的時候,B貓一定是死的,這種狀態(tài)就是量子糾纏。愛因斯坦認(rèn)為,這種跨空間、瞬間影響雙方的量子糾纏是“鬼魅的超距作用”(spooky action at a distance),是違背狹義相對論的。
近年來,隨著量子信息科學(xué)的發(fā)展,科學(xué)界旋即出現(xiàn)了許多對于量子通信的質(zhì)疑。北京大學(xué)物理學(xué)院退休教師王國文在一篇《掃謊打非:敦促潘建偉院士走出迷途》的文章里稱潘建偉所說的量子糾纏是對愛因斯坦相對論的否定,“純屬謊言”,而認(rèn)為其實(shí)驗路線“胡作非為”。
上海大學(xué)數(shù)學(xué)系的密碼專家曹正軍今年3月發(fā)表在財新網(wǎng)上的文章《量子通訊是否真的無懈可擊》里指出,量子通信這種看似無懈可擊的通信方式,實(shí)際上是以犧牲信號穩(wěn)定性為代價的,一旦存在敵方的任何形式的入侵行為,量子通信都將無法實(shí)現(xiàn),而傳統(tǒng)的密碼體系,都是假設(shè)敵方可以獲取信息,但是從計算復(fù)雜性上讓敵方無法破解?!叭绻麛呈窒Я?,那么任何密碼技術(shù)都是多余的?!睆倪@個意義上說,量子通信可以說是只要有敵方存在就辦不了事,這樣的系統(tǒng)最終只能淪為擺設(shè)。
鳳凰資訊:現(xiàn)在很多人也質(zhì)疑,例如認(rèn)為量子通信的安全性是以犧牲穩(wěn)定性為代價的。還有人質(zhì)疑所謂的“量子通信提供了無條件通信安全方式”的說法過于絕對。
潘建偉:我歡迎基于科學(xué)實(shí)驗的嚴(yán)肅的質(zhì)疑?,F(xiàn)在對于量子通信的質(zhì)疑有三類,第一類是完全質(zhì)疑量子科學(xué)理論。現(xiàn)在量子理論的科學(xué)性已經(jīng)建立起來了,盡管我們現(xiàn)在還不知道量子糾纏為什么會發(fā)生,背后的東西是什么。但我們的實(shí)驗也驗證了量子糾纏確實(shí)存在,所以如果有人對量子糾纏理論有突破,可以發(fā)表,經(jīng)過同行評審,認(rèn)為是有科學(xué)價值。但如果只是自己講,我們不會給任何回應(yīng)。
第二個是干擾問題,這種抗干擾能力跟無線通訊、光纖通訊是一樣的。如果一個人說,我把你的信息攔截了不讓你通信了,你的系統(tǒng)就崩潰了。他當(dāng)然是可以攔截。但是回過頭來,如果我們在光纖中通過經(jīng)典通信傳輸,那我也是一樣可以攔截你的。這兩種攔截的成本、所需的技術(shù)和難易程度完全一樣。所以有些人說量子通信衛(wèi)星的抗干擾能力弱是不對的,我們和經(jīng)典通信是一樣的。
“無條件安全”在它的內(nèi)涵里面是合理的,但是我只能說這個通信本身是安全的,不過基于一個假設(shè)就是,信息傳遞的這兩個終端自己不要出問題。我們的量子通信只管通信的過程是絕對安全的。但要做到“完美”的信息安全,我認(rèn)為應(yīng)該把終端的安全也一起管起來。
第三方面,我們項目剛啟動很多人都在問,是不是國外已經(jīng)在做了?我們要鼓勵大家敢做一點(diǎn)別人沒做過的事情,如果一定要別人開始做了之后我們再去做,我們還能成為一個創(chuàng)新的國家嗎?
鳳凰資訊:量子衛(wèi)星發(fā)射之后就可以解決棱鏡門事件嗎?
潘建偉:我可以保證如果你按照我的這個程序來做,信息傳輸?shù)陌踩詻]有問題。不過有一個前提是,必須保證房間里面是安全的。例如我在我的房間里,你在你的房間里,我們進(jìn)行信息傳送。而我把傳送的內(nèi)容告訴了我屋里的太太,我太太再告訴別人,那安全性就無法保證,我解決不了這個問題。棱鏡門其實(shí)是通過三個方面來進(jìn)行竊聽,第一個方面,從線路上通過彎曲光纖來偷走未經(jīng)加密的信息。第二方面,通過控制服務(wù)器竊取信息。第三個方面是可以在計算機(jī)上裝一個木馬,往外發(fā)射信息的時候,我就可以進(jìn)行復(fù)制。如何解決這個問題?首先信息傳輸?shù)倪^程中,我給你加過密了,在服務(wù)器上不會被別人偷走。即使被干擾,傳送過去的也是亂碼。這個方法能夠解決前面兩個問題。但如果是在你自己的辦公室里信息就被竊取,這個問題就不是我所能解決的問題了。還有一種辦法可以用來解決第三方面的問題,盡管用來傳送信息的計算機(jī)有病毒,那就在信息送出去之前給它加密,只有在外面經(jīng)過我合法授權(quán)的人才能讀到我的信息,這就能解決剛才所說的問題。不過,如果終端自己就泄密了,那就不是我要解決的問題了。
面對競爭:三個原因讓我們成為量子衛(wèi)星首發(fā)國家
90年代,量子信息在中國尚未得到廣泛的認(rèn)可,發(fā)展進(jìn)程十分緩慢。2001年潘建偉開始回國組建量子通信實(shí)驗室。2008年,潘建偉團(tuán)隊整體回到中科大,通過多次科學(xué)實(shí)驗的基礎(chǔ)上證明被愛因斯坦否定的量子糾纏的存在,并證明在太空與地面之間開展遠(yuǎn)距離量子通信的可能。
鳳凰資訊:90年代您選擇出國留學(xué)出于什么方面的考慮?您在奧地利的導(dǎo)師Zeilinger教授給了您哪些影響?
潘建偉:91年我做本科論文的時候,對于量子糾纏背后的原因很苦惱。為什么會有糾纏,為什么即使是遠(yuǎn)距離的量子間也能相互影響,而稍微一碰糾纏就消失了。當(dāng)時國家還沒足夠的錢進(jìn)行實(shí)驗,這也是我選擇出國留學(xué)的原因。我在奧地利因斯布魯克林大學(xué)讀博士的時候,我的導(dǎo)師Anton Zeilinger是這個領(lǐng)域世界級大師。剛?cè)W地利的時候,導(dǎo)師問我到將來的規(guī)劃,我說我希望將來在中國能有一個像他一樣世界一流的量子光學(xué)實(shí)驗室。我的老師在科學(xué)方法和思維方法上給我很多的幫助。他告訴在科學(xué)上要:To be No.1。所以我們在2002年左右的時候就很勇敢地提出能不能放棄地面上的自由空間,用衛(wèi)星來做量子通信。第二是在科學(xué)上盡力去爭取第一。
還有包括現(xiàn)在我堅持用一些通俗語言進(jìn)行科普,就是希望告訴群眾,大家的錢科學(xué)家們都用來做了哪些事,這些事對我們的生活會帶來哪些改變。這也是我的老師教給我的,當(dāng)時只要我們有文章發(fā)表,他就會發(fā)一篇新聞通稿告訴公眾我們做了哪些事,這是很有必要的。
鳳凰資訊:從奧地利回國開始籌劃量子信息研究實(shí)驗室的創(chuàng)建,當(dāng)時國內(nèi)對于量子信息科學(xué)還存在很大爭議,甚至有些人認(rèn)為這是偽科學(xué)。您當(dāng)時籌備這個項目時遇到過什么困難嗎?
潘建偉:量子信息科學(xué)的研究中科大是最早的開始的,起初我在中科大的老師張永德只申請到了幾萬塊錢,當(dāng)時的評審意見是,“量子信息研究這個東西很不靠譜,要使用起來很難”。這個狀態(tài)一直到2000年之后才有所好轉(zhuǎn),因為那個時候國際上在量子信息科學(xué)上得到比較快的發(fā)展,而當(dāng)時的中國科學(xué)界還比較習(xí)慣在國外先做起來之后我們再做。
鳳凰資訊:美國和歐洲在量子信息科學(xué)發(fā)展上一直處于領(lǐng)先地位,但為什么這次是中國首發(fā)量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星?
潘建偉:首先解釋為什么不是歐洲類似奧地利這些在量子信息科學(xué)上有很好傳統(tǒng)的國家。發(fā)射衛(wèi)星是一個非常復(fù)雜的過程,需要一個非常龐大的團(tuán)隊來做。例如衛(wèi)星平臺、空間光跟瞄、地面大型望遠(yuǎn)鏡的接收等等。量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星所需要的技術(shù)要精細(xì)到什么程度呢?比如要能夠看清楚木星上的汽車牌照。這就需要分辨率非常高的望遠(yuǎn)鏡。第二,要保證很弱的光從衛(wèi)星上傳下來我們還能接收得到。第三衛(wèi)星飛得非??斓臅r候要能夠跟得上。這么一來,我們需要很大的團(tuán)隊,除了我們團(tuán)隊之外,有中科院上海技術(shù)物理研究所,有中科院光電技術(shù)研究所,有中科院上海微小衛(wèi)星工程中心,有南京紫金山天文臺,北京的國家天文臺,中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所,中電集團(tuán)第44研究所等將近十幾個研究所,好幾百人一起來做。
為什么不是美國而是中國先做成了這么一件事。一是我們技術(shù)上做得比較早,二是管理上的優(yōu)勢,還有就是我們很早就在謀劃發(fā)射衛(wèi)星這件事。在90年代其實(shí)全世界在量子信息科學(xué)上都處于剛起步的狀態(tài),這個領(lǐng)域是隨著1996年量子信息實(shí)驗科學(xué)的興起逐步發(fā)展起來的,我做博士論文的時候就介入這個領(lǐng)域,可以說是這個領(lǐng)域的拓荒者。后來回國進(jìn)展也比較快,2003年開始,我們有意識地往劍橋、牛津這些大學(xué)派遣相關(guān)學(xué)生去掌握相關(guān)技術(shù),最后把做衛(wèi)星量子通信所需要的人才和技術(shù)元素都集中起來了,再加上中國科大和各個相關(guān)的研究所都屬于科學(xué)院,協(xié)調(diào)起來方便得多,因此我們就走到前面去了。
建立量子通信網(wǎng)絡(luò):未來15年將會走進(jìn)千家萬戶
2016年3月,歐盟委員會發(fā)布《量子宣言(草案)》,呼吁歐盟成員國和歐盟委員會發(fā)起資助達(dá)10億歐元的量子技術(shù)旗艦計劃,確保歐洲的量子產(chǎn)業(yè)在全球產(chǎn)業(yè)藍(lán)圖中的領(lǐng)導(dǎo)地位。同年7月,美國國家科學(xué)技術(shù)委員會發(fā)布《先進(jìn)量子信息科學(xué):國家挑戰(zhàn)及機(jī)遇》報告。美國政府每年斥資2億美元資助量子信息科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。中國2016年的“十三五”規(guī)劃中也將量子通信作為重大科技項目進(jìn)行重點(diǎn)支持。量子保密通信“京滬干線”也將計劃在今年年底建成并驗收,實(shí)現(xiàn)京滬兩地的金融、政務(wù)機(jī)構(gòu)的保密通信。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽在一次報道中表示,“可想而知,(量子技術(shù))將是一場競賽”。
我國將建全球首條量子通信“ 京滬干線
鳳凰資訊:隨著“墨子號”的升空,很多國家都非常關(guān)注,在量子信息科技上的國際競爭也會日趨激烈。這些國際競爭主要來自哪些方面?中國的優(yōu)勢和劣勢在哪里?
潘建偉:我們的主要競爭者肯定是來自美國和歐洲。歐盟在今年4月份發(fā)布了《量子宣言》,然后5月份歐盟量子大會上宣布啟動10億歐元的量子技術(shù)旗艦計劃,以保證歐盟在量子技術(shù)方面的主導(dǎo)地位。美國國家科學(xué)基金會NSF前陣子正式提出,將“量子飛躍:引領(lǐng)下一代量子革命”作為未來重點(diǎn)支持的六大科研前沿之一。最近由奧巴馬總統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)的國家科學(xué)技術(shù)委員會發(fā)布了“推進(jìn)量子信息科學(xué):國家的挑戰(zhàn)與機(jī)遇”戰(zhàn)略報告,講到要專門對量子通信,量子計算和量子精密測量進(jìn)行支持,在未來的量子技術(shù)發(fā)展方面起到一個領(lǐng)導(dǎo)地位。
我們都知道量子信息技術(shù)主要包括三個方面,量子通信、量子計算和量子精密測量。根據(jù)歐盟官方給出的統(tǒng)計,在量子計算方面,歐洲最強(qiáng),美國次之。在量子通信上,中國是領(lǐng)先的,歐洲次之。但在量子精密測量上,歐洲依然是老大,其次是美國,中國弱一些。
鳳凰資訊:這次的量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星項目我們也有跟奧地利進(jìn)行合作,您在過去的采訪中也明確即將會跟其他國家開展國際合作,主要是在哪些方面?
潘建偉:畢竟我是從奧地利留學(xué)回來的,所以當(dāng)他們提出請求希望參加這個項目時我們同意了。當(dāng)時路甬祥院長去奧地利訪問,奧地利科學(xué)院院長專門提出請求并簽署初步框架性協(xié)議。在中國把實(shí)驗都做完之后,會在衛(wèi)星飛過北京上空時,在衛(wèi)星和北京之間建立量子密鑰分發(fā)。衛(wèi)星飛越維也納上空的時候,進(jìn)行衛(wèi)星和維也納之間的密鑰分發(fā),這樣就能探索維也納和北京之間進(jìn)行無條件安全通信的可能性。加密完之后我們通過公共途徑請世界各地的科學(xué)家們來破解。因為同時有好幾個其他國家,也都希望這個項目能夠向他們開放,我們也樂于和他們一起開展相關(guān)合作研究。
鳳凰資訊:發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星之后下一步的計劃是什么?
潘建偉:建立覆蓋全國的量子通信網(wǎng)絡(luò),讓量子通信能夠走進(jìn)千家萬戶,也許要經(jīng)過10-15年的時間。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),光靠一顆衛(wèi)星是不行的,需要一個星座,并與天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合作開展相關(guān)研究。要一階段一階段來,不能一蹴而就。就像電報、電話的發(fā)展和普及一樣。量子通信的發(fā)展也是,剛開始可能只有少量的機(jī)構(gòu),例如銀行或者政務(wù)系統(tǒng)采用。但因為現(xiàn)在信息化被大家高度重視,每個人都覺得信息安全是不可或缺的,所以我覺得這個周期會短得多,樂觀上15年左右的時間能夠走向千家萬戶,從很好的程度上來保證網(wǎng)上銀行轉(zhuǎn)款,私密傳輸?shù)男畔踩取?/p>
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