为什么老外几十年前就有bb84协议,量子通信还被中国领先?

2017-08-04 13:13:21 来源:N

作者:袁岚峰  中国科学技术大学副研究员 科技与战略风云学会会长

这个问题提得很专业,大多数人可能都看不懂题目说的是什么。

背景是这样的:“量子通信”是一个大的研究领域,包括“量子密码术”(又称为“量子保密通信”或者“量子密钥分发”)、“量子隐形传态”(就是科幻电影中的“传送术”)和“超密编码”等,而其中唯一接近实用的只有量子密码术。在媒体报道量子通信时,大部分情况下记者指的其实就是量子密码术,而不是这整个领域。

实现量子密码术的技术方案,科学家提出过若干种,都叫做某某协议(就像计算机科学中的“TCP/IP协议”),包括BB84协议、B92协议、E91协议、诱骗态协议等等。这其中BB84协议具有特殊的地位,因为它是最早的一个方案,是美国科学家Charles H. Bennett和加拿大科学家Gilles Brassard在1984年提出的,BB84是两人姓的首字母以及年份的缩写。

题目问的是:为什么1984年别的国家就提出了量子通信的协议,到现在这个领域却成了中国领先?

回答其实很简单:

一,中国科学家解决了大量的实际困难,把量子通信从方案变成了现实;

二,中国的领先主要是在实验层面,在理论层面虽然也大有进步,但还远没有像中国的量子通信实验那样达到独占鳌头的地位。

打个比方,1786年意大利科学家伽伐尼就发现了生物电现象,但这离电的大规模应用还远。要经过伏特、法拉第、麦克斯韦、赫兹、贝尔、爱迪生、特斯拉等人的接力,到一个世纪后人类才进入电气化时代,而那时意大利已经不是领先的国家了。

在量子通信领域,中国科学家的成就包括:多次刷新在光缆中安全传输距离的世界纪录(近十多年来,这些纪录几乎全都是中国科学技术大学的科学家创造的,成了科大内部的你追我赶),世界首次实现自由空间(就是在大气层中,不通过光缆)的量子通信,世界首次实现卫星和地面之间的量子通信(即墨子号量子卫星),世界首次建立长达2000公里的量子通信线路(即量子通信“京沪干线”),提出“测量无关的量子密钥分发”概念并实验实现,把量子隐形传态从一个自由度提高到两个自由度,参与提出目前最先进的量子通信方案“诱骗态协议”(清华大学物理系王向斌教授是最初的几个提出者之一),等等。

也许你无法理解这些成果的确切意思,那你只需要知道这些成果多次入选世界十大科技进展、世界十大物理学进展等大奖(两个自由度的量子隐形传态还被评为2015年世界十大物理学进展之首),也就明白它们的重要性了。

总而言之,中国在量子通信领域能后来居上,在技术层面是因为我们解决了大量的别人解决不了的问题,在国家层面是因为我国高度重视,投入了大量的人力物力。

潘建伟、郭光灿、杜江峰等研究者也发挥了超强的主观能动性,创造了许多可歌可泣的故事。在这方面,可以参见《半月谈》2017年第14期的报道《花开,在闪亮的日子——问讯量子世界的中国80后》(https://mp.weixin.qq.com/s/z7lxnchCfh95z3dK75JpVw):

2017年5月以来,中国科学技术大学潘建伟院士团队在量子科学的两大核心领域——量子计算与量子通信先后取得了令世界瞩目的突破性成果。

该团队一大特色即在于成员多为“80后”“90后”,充满青春朝气与创新锐气。除了斩获国内外诸多荣誉的陈宇翱、陆朝阳等研究带头人,还有一大批青年研究员、博士后乃至博士生构成了中国量子“梦之队”的中流砥柱。

近日,“梦之队”的青年科学家接受半月谈独家访问,首度开讲中国量子科学“80后”追梦之路的动人故事。

量子光源是一种极其微弱的光信号。单光子级的光信号亮度,相当于一根蜡烛在140公里之外的人眼中的强度,要知道,人类肉眼能够分辨蜡烛光亮的极限距离,大约才700米。

2008年,印娟和曹原被派到上海佘山,借助天文台和卫星之间的光信号星地传输,证明单光子级别的光源也能被地面接收,为星地一体量子通信网络提供实验支撑。

一个无人尝试过的题目。一年间,印娟在楼顶望远镜旁盯着电脑,曹原在楼下控制偏正补偿,日复一日。

由于天气、技术参数等多种因素影响,电脑上几个月都没有一丝信号。忽然有一天,惊喜降临,望远镜和卫星交会在一起时,屏幕上出现了一丝微弱的抖动。

这是历史上第一次证明,如果从卫星上发射单光子级的光信号的话,地面上是可以收到的。也就是说,基于卫星的量子通信是可行的。

走进量子世界,为后来人探出一条平稳的路,让大家渐渐明白这个世界的用处在哪里,是中国量子科学人的初心。

做这样的研究,就像是茫茫黑夜独行,面前是一片混沌旷野,不知道研究方向是否正确,不知道要花费多少时间,不知道最后能不能做得出来。

何玉明有一段时间一直受这种焦虑的困扰。研究对象、测量技术……似乎处处都有不可预测的陷阱。从他考上博士的五年里,身边的人一个个毕业或就业,他的研究却依然举步维艰。

在产生高品质单光子源的过程中,如何让前后产生的光子保持极高的波包重合度,是国际所有研究团队十多年来面临的难题。

斯坦福大学实现了70%重合度,并把这一世界纪录保持了十年,直到2012年何玉明所在的团队通过探索一条崭新的道路,一举把这一纪录提高到了接近100%。

谁都不知道他们能否成功,包括他们自己,为什么还要坚持?何玉明的理由是:“劝自己放弃,比劝自己坚持难多了。”

芮俊2005年进入中国科学技术大学,到今年整整12年。自从投身超冷量子化学,他跟在国外领先小组后面跑了4年。

2013年他开始搭实验装置,想去一家世界领先的实验室参观,对方并不很乐意,后来芮俊是“蹭”其他大学的团队进去的。

美国麻省理工学院(MIT)的教授曾问他,为什么要跟着他们以前的路线做,不去开辟新方向。他老实回答说,我们经验还不足。

没有实验室主页、没有论文……整整三年多时间,他们的团队在国际上没有任何“能见度”。

转机出现在2016年。又一次按照MIT的方法设计实验装置、进行系统搭建,本应出现分子的实验结果,只能看到对应的原子;调试了半天,分子倒是出现了,却无法测量

这是怎么回事?芮俊和团队里的其他老师同学,花了3个月的时间琢磨,最终弄清楚了——他们为超冷分子研究打开了一个新方向。

“动手比MIT晚了5年,还能绕过他们辟出一条新路,这是我们最欣慰的。”芮俊说,2016年底,MIT开始有很多学生过来参观他们的实验室,结果发现,困惑芮俊及其同事的实验现象,早在5年前MIT的论文里已经显露出了信号,当时却没有引起重视。


科学研究不是一个方法不行,就赶紧换一个方法;而是不停地问自己,为什么这个方法不行。定位问题、复现问题、分析问题……要想解决问题,只有一步一步地往前走。

“必须把前一步的所有问题都解决,才能进入下一步。实验做到最后,成不成基本上心里早就有数了。”与芮俊一样实现超冷量子化学“逆袭”的吴湛如是说。

把量子纠缠源送上太空前,曹原和他的同事发现它的指标总是出现波动。不可能给天上的卫星配一个“维修工”,只有抓紧分析。

问题定位到一个指甲盖大小的光学器件——光束分束器,然后做出50多套相同的试验件,穷尽每一个疑点。

“容得下一张书桌”的中国科学技术大学,默默地给了他们“打怪升级”最大的包容;组建实验室的时候,他们的导师潘建伟院士放开所有束缚,他们可以5年不发一篇论文;团队各司其职,杂务最大程度为实验让步,让大家可以持续高强度、高质量工作。

每一步的基础都打得特别牢,取得理想成绩便显得“自然而然”。

曹原曾错过一秒。本来“墨子号”卫星第一夜经过兴隆地面站的时候,他就可以完成星地之间的光路链接,让红光和绿光在天空中相逢。

但是,由于地面望远镜的控制软件版本出现问题,比真实时间快了一秒,第一个夜晚就这么错过了。

是卫星上的载荷出了问题,没有正常启动吗?曹原慌了,他和国家天文台的同事张晓明,一遍遍复盘操作,想的只有一件事:一定要确认是地面的问题。

不到24个小时卫星就会再度过境,参与的所有人都等着光路链接成功,卫星正常运转的那一刻。

“最后发现是地面的错,长舒了一口气。”他们找到了那一秒钟。当卫星的绿光如同一颗耀眼的星划过天际、最终和地面的红光链接在一起时,曹原和张晓明不由自主地拥抱了一下。

徐凭不想错过。知道西藏很苦,但没想到阿里站会这么苦。

地面站位于海拔5100米左右的山上,不通电,靠太阳能供电。在阿里漫长的冬季,太阳能发的电只够支撑实验仪器运转。

卫星都是在凌晨2到4点过境,实验团队几乎每天都在深夜11点前后上山,凌晨5到6点下山。

为省电不能开空调,实验室的温度维持在零下15摄氏度。手机充不了电,拿出屋外就自动关机;用锉刀把冰锉开烧水泡面,面没泡开,水已经全冷了……

但大家最记挂的还是仪器,仅余的电都用来驱动仪器元器件的取暖片。

裹着“秋裤+毛裤+牛仔裤+皮裤”的徐凭,和团队其他成员一起,在高原上呆了150天。

“中间休息了半个月,回来结了个婚。”徐凭说。十年前潘建伟是陈宇翱的证婚人,如今,陈宇翱成了她的证婚人。

证明的不仅是婚姻,是十年光阴,更是中国量子科学人薪火相传的探索精神与坚韧毅力。

十年前,国内的量子科学研究既没有经费,也缺乏成熟环境,潘建伟将自己得意弟子陈宇翱、陆朝阳都送到了国际顶尖的实验室,学成后,不用一句催促,他们又回到了中国。

今年4月份,在陈宇翱之后,芮俊竞争到了马普哈佛量子光学联合研究中心的博士后,将以中国量子第三代人的身份,到国际顶尖的实验室工作。“我们有一个不会说出口的默契”。

“你在地球的轨道里,自由地飞;

我在对面的山顶上,寒风在吹。

一路顺风,我们的量子卫星”。

在去年的院内活动上,张文卓把这首改编自《南山南》的《量子星》搬上了舞台,曹原、廖胜凯都是主唱。这时离张文卓把《爱在西元前》改编为《爱在量子前》已有14年。

进入量子世界的机会,芮俊是捡来的,他大学时偶然听了量子通信的讲座;

曹原是碰来的,无意中得知科大有提前面试的计划;

廖胜凯是拼来的,觉得毕业论文一定要经过验证才能完美闭环;

张文卓是主动请缨来的,他坚信在这里望得见第二次信息革命的曙光,付出整个学术生涯也值得。

进入量子世界后,他们才明白这种“公无渡河,公竟渡河”的勇敢,对于自己,比对于那个世界重要多了。

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