初识量子

  1987年夏,我从浙江省东阳中学考入中国科学技术大学近代物理系。科大是一所宁静的大学,没有大城市的繁华喧嚣和浮躁之气,学风非常淳厚。“山静鸟谈天,水清鱼读月”,科大这样的环境最适合于数理基础非常强的科大同学们在学习之余对自然世界的真理进行深邃的思考和热烈的讨论。在高中时,我们最擅长的是利用牛顿定律去解各种力学问题,但到了大学,更深入的思考使得我认识到牛顿定律的精髓是机械决定论,也就是说,给定一个初始条件,利用牛顿定律就可以推出所有物质在以后任何时刻的状态。因此我就产生了迷惑:如果一切事物的变化都可以用公式来计算,那么发生在此刻的一切以及个人的一生命运在几百万年前不就早已决定了吗?如果真是这样,那么人还要不要努力奋斗,奋斗还有什么意义?

  后来接触到量子力学,发现微观世界里有很多奇特的现象,与传统的经典规律完全背道而驰。量子理论的精髓是量子叠加原理和概率性量子测量原理。量子叠加原理认为一个系统可以同时处于多个状态的叠加态,而量子测量原理认为当系统被观测或测量时,总是以某一概率被发现处于某一个状态。“以鬼魅般的阵列运行、以实物的形式到达和离开”,这就是量子力学所揭示的物质存在和演化的一般形态,也就是通常所说的波粒二像性。二十世纪量子理论的建立使得人类的世界观摒弃了牛顿的决定论,而接受了概率论,虽然让许多人觉得神秘莫测,却让我从以前的迷惑中解脱出来,从此发现一切变得自然而有意义:一方面,现实生活中本来就存在许多不确定的表现,概率性本应更符合人们对世界的直觉;另一方面,个人的奋斗因此存在积极的意义,如果一个人是处在“成功”和“失败”的叠加态上,那么个人奋斗会使得他朝着成功几率较大的状态演化。

  但更深入的探究和思考使我发现,量子理论所蕴含的神秘性还是远远超出了我的想像。如果任何物体只有在被观测的时候才成为“实物”,那么是谁在观察着我们整个世界、以致使得我们这个世界成其为一个“实物”呢?那是不是意味着真的有一个上帝存在呢?爱因斯坦曾经为此深深地迷惑不解,他曾经问道“难道只有在我们看着月亮的时候,月亮才存在吗?”另一方面,当量子叠加原理应用到两个粒子时,量子理论预言这两个粒子可以处在一种奇怪的纠缠状态:不论这两个粒子分离多远,它们之间都存在一种神秘的关联,以致使得一个粒子被发现处于某种状态时,另一个粒子一定也处于同一状态。这种神秘的关联无论如何都无法用经典的观念去理解,被爱因斯坦称为“遥远地点间诡异的互动”。

  如此种种神秘现象使我对量子产生了极大的兴趣,也确立了我的奋斗目标:与量子打交道、交朋友。本科毕业前,我集中研究和总结了量子世界的各种佯谬,作为我的本科毕业论文。毕业后,我继续在科大攻读理论物理硕士学位,理论基础的加深使得我对顽皮的量子的脾气摸得更透了。

  与量子的第一次亲密接触

  亲身进行量子实验研究、直接与量子客体——光子、原子等——打交道,是我梦寐以求的事。1996年我硕士毕业,经过导师的推荐,我负笈奥地利因斯布鲁克大学,攻读博士学位,因为那里是量子科学研究的前沿阵地。我的博士生导师是从事量子实验研究的世界级大师塞林格。

  一个理论物理专业的硕士,要想很快进入实验量子物理的前沿,其中的困难可想而知。为了尽快掌握实验方面的知识和要领,我几乎整天都泡在实验室里,在科大训练出的较扎实的理论功底对于我迅速理解和掌握实验技术是至关重要的。几个月后,我和实验室的同事就完成了一个重要的实验,即在国际上首次实现光子的量子隐形传态。当实验结果完美地呈现时,我知道,我完成了大学时就梦寐以求的事情,即与量子的第一次亲密接触。我们的工作发表在《自然》杂志上,被认为是量子信息实验领域的开端,同时被美国物理学会、欧洲物理学会、《科学》杂志评为年度十大进展,并被《自然》杂志在其特刊选为“百年物理学21篇经典论文”。至今,这篇论文仍然是量子信息科学领域被引用次数最多的实验论文。

  经过了第一次亲密接触后,我与量子的关系慢慢地由陌生到熟悉。利用量子纠缠,我在量子世界里徜徉,先后实现了量子纠缠交换、三光子纠缠及其非定域性检验、四光子GHZ纠缠和高保真度的量子隐形传态、量子纠缠纯化等重要实验,结果均发表在《自然》或《物理评论快报》上,我们的工作多次被欧洲物理学会和美国物理学会评为年度物理学重大进展。我怀着新奇和喜悦的心情发现,量子并不是那么神秘莫测,而是可以理解和掌控的。

  祖国的量子

  在我眼里,科大是一所独特的大学,她因应培养新中国“两弹一星”尖端科技人才的时代要求而生,“又红又专”是她与生俱来的秉性,学好知识、为国服务是科大学生的崇高理想和光荣使命。作为科大化学物理系首任系主任的“两弹元勋”郭永怀,在飞机失事遇难时与警卫员紧紧抱在一起,用身体夹住装有宝贵资料的公文包。记得第一次听说这个故事时,我感动得热泪盈眶。

  我在奥地利攻读学位的时候,正是量子信息这门新兴科学开始蓬勃发展的年月。我很快了解到,这门科学能够用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵,可以实现利用任何经典手段都无法完成的信息功能,可以在提高运算速度、确保信息安全、增大信息传输容量等方面突破经典信息的极限,可以带来极大的应用价值并具有重大的科学意义,势必会推动整个信息产业的技术革命。因此,在怀着极大的热情与量子打交道的同时,我将目光投向了国内,迫不及待地希望祖国能很快跟上这个新兴科技领域的发展步伐,在信息技术领域抓住这次赶超发达国家并掌握主动权的机会。

  我迫不及待地希望操控祖国的量子。

  从1997年开始,我每年都利用假期回到科大讲学,为我国在量子信息领域的发展提出建议,并带动一批研究人员进入该领域。2001年,我入选“中科院引进国外杰出人才”,并获得了中科院知识创新工程重要方向性项目的支持,在科大组建了量子物理与量子信息实验室。这个实验室以一批年轻教师和学生为班底,朝气蓬勃。虽然我们是从零开始,但因为在组建之初就得到了中科院和科大的大力支持,在以后的几年里又陆续得到了基金委和科技部等主管部门的大力支持,因此实验室的发展速度非常快。 2004年,我们实验室进入中国科大合肥微尺度物质科学国家实验室,成为其中的量子物理与量子信息研究部,科研环境得到了大大改善,一批优秀的年轻人才在这里得到锻炼和培养、脱颖而出,关于量子的一项项最新成果在这里向世界公布:首次实现五光子纠缠和终端开放的隐形传态,首次实现六光子纠缠及复合系统量子隐形传态,首次实现突破大气厚度的远距离量子纠缠和量子密钥分发,率先实现绝对安全距离超过百公里的诱骗态量子密钥分发,首次实现光子比特与原子比特间的隐形传态,首次实现具有存储和读出功能的量子中继器……。自组建至今,我们已经在国际权威学术期刊《自然》(2篇)、《自然·物理》(5篇)、《物理评论快报》(35篇)发表论文共计40余篇。我们的工作曾多次入选欧洲物理学会和美国物理学会评选的年度物理学十大进展和中国两院院士评选的年度中国十大科技进展新闻。正如英国著名的科学新闻杂志《新科学家》以封面标题的形式对我们实验室进行专题报道中所写的:“中国科大——因而也是整个中国——已经牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地。”

  虽然地处合肥,但科大是一所自由而开放的大学。量子信息科学领域是一个日新月异、正在迅速发展的多学科交叉领域,需要各方面的人才、技术和较高强度的经费支持,需要与世界上优秀的科研团体合作、学习他们的先进技术和经验。正是考虑到这一学科背景,在实验室组建之初,科大就向我们明确表示,建议和支持我们保持和发展与国外优秀小组的合作关系,以更好地为科大和我国的科研事业工作。因此在过去几年中,我国内、国外两头跑,一方面在科大实验室大力发展光量子信息技术,另一方面到在冷原子和原子芯片方面具有很强研究实力的海德堡大学物理所,以客座教授的身份在欧洲通过各种渠道申请经费支持,从国内招收研究生和博士后,为我国培养冷原子量子存储方面的研究力量。2008年,在完成了充分的技术积累和人才储备后,科大实验室已经发展成一个具有创新能力较强、优秀人才较多的世界知名的量子信息科学研究中心,我也放弃了在海德堡大学的职位,同时将在海德堡大学的实验装置陆续搬迁回科大,将一批优秀的年轻人才从海德堡大学以中科院“百人计划”的方式引进到科大。

  量子之用

  物理学的发展往往能带来技术的革命。牛顿利用他的大炮理论所预言的人造卫星在今天早已变成了现实,而在过去的八十年间,量子物理显示了其在揭示微观世界(分子、原子、电子、质子、光子、亚原子粒子等)规律方面的巨大成功,导致了人类在技术方面的巨大进步——比如它导致了计算机晶体管芯片、硬盘驱动器、闪存芯片、核磁共振、电子显微镜、激光的发明。现在,量子物理正与信息科技相结合,继续对人类社会的发展产生它的强大影响力,例如,它能提供绝对安全的通信系统。与经典密钥分发方式根本不同的是,量子密钥分发不依赖于计算的复杂性来保证通信安全,而是基于量子力学基本原理,这使得量子密码系统的安全性不会受到计算能力和数学水平的不断提高的威胁,从而保证了利用量子密码系统加密的信息是绝对安全的。

  在中国,传统的信息产业目前在技术上仍然处于相对落后的地位,无论是民用通信还是军用通信在信息加密的硬、软件方面都可能受制于人。例如,在网络传输安全协议,信息处理终端等软、硬件方面,我国都还有相当一部分产品和技术依赖国外。在当今信息全球化的大背景下,必须对我国现有信息技术的风险给以足够的重视,对于存在的通信安全隐患必须有足够的认识和警惕,并作出充分的预防准备。

  为了更快地提升我国的信息安全水平,除了按部就班地发展经典信息安全技术之外,另辟蹊径、从新兴的前沿交叉学科中直接汲取和发展最先进的技术成果,来建立我们具有自主核心技术的安全通信体系,实现通信安全系统建设的跨越式发展,从而在通信安全方面迅速赶上甚至超越各大国在信息安全方面的技术水平,是另一条重要而且可行的思路。

  正是在这个思路的指引下,实验室从组建之初就确立了主攻目标:大力发展量子通信技术,争取早日实现实用化的量子通信系统,使得我国在高端通信技术领域不再受制于人,使得我国的信息安全得到充分的保障。

  2005年,我们实现了13公里长度的量子纠缠分发以及基于这个纠缠的量子密钥分发的实验,在国际上首次证明了纠缠光子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后,纠缠的特性仍然能够保持,并可应用于高效、安全的量子通信。该结果为实现全球化的量子通信打下基础。

  2006年,我们率先实现长度超过百公里的绝对安全的诱骗态量子密钥分发。该结果使得我们成为国际上同时把绝对安全通信距离突破到超过百公里的3个小组之一(另两个小组为美国洛斯阿拉莫斯国家实验室-美国国家标准局联合实验组和欧洲联合实验组)。

  2009年,我们在商业光纤网络的基础上,在合肥组建了世界上首个可自由扩充的光量子电话网,这标志着在我国实现量子通信技术产业化的时机已经到来。

  但是,要实现远距离甚至全球量子通信,仅仅依靠光纤量子通信技术是远远不够的。这是因为光子极易被信道吸收,造成信号随通信距离指数衰减、误码率提高进而导致通信失败,以致使得光纤量子通信很难突破百公里量级传输距离的限制。然而,在当今世界全球化进程日益加快的背景下,短距离的量子保密通信显然无法满足国家政治、经济、军事各方面的要求。

  利用量子存储和通过自由空间进行光子传输是实现远距离量子通信和大尺度量子力学检验实验的两种解决方案。有了量子存储,就可以与量子纠缠交换和纠缠纯化技术相结合,来实现量子中继器,从而将目前已成熟的城域量子通信的安全通信距离大规模提高,实现远距离量子通信。通过自由空间光子传输,则有望克服光纤传输的弱点,将量子通信距离大幅度提高,甚至达到覆盖全球的范围。这是因为大气对某些特定波长的光子吸收非常小,而且大气中几乎没有双折射,能将极化纠缠的光子的品质很好保持。

  实现远距离量子通信,在原理上和技术上都有大量的科学问题需要研究和验证。例如,由于受地面障碍物、地表曲率,地面气象条件等的限制,在地面附近难以实现远距离自由空间量子传输。要真正发挥自由空间的优势,必须结合卫星通信和载人飞船技术。外太空几乎真空的环境对光的传输几乎没有衰减,同样也没有退相干效应。所以只要我们能够实现将纠缠光子对传出大气层,配合星载平台技术和光束精确定位技术,我们就有可能实现在真正的空间大尺度下进行量子通信。

  目前,我们在中科院超常规启动的两个知识创新工程重大项目和科技部重大科学研究计划项目等的支持下,正在为将来开展空间尺度的量子实验进行前期研究,我们的目标是在不久的将来把量子送入太空,让量子做沟通全球的信使,实现全球化的量子通信,为解决国家在信息安全方面的重大需求做出贡献。

  回顾我们过去几年的发展,我感叹这是一个不断实现和超越梦想的光荣历程。我们应该感谢量子,是它使得我们能够有机会象过去的“两弹元勋”一样,为国家和社会的发展贡献自己的一份力量。我更应该感谢我们祖国在经济建设和社会进步中所取得的巨大成就,我们在发展量子通信技术方面所取得的成绩,与中科院、科技部、基金委等科研主管部门和科大的强有力支持是分不开的。可以说,实验室所获得的持续支持和所取得的成绩不仅彰显我国不断提高的综合国力和科技创新能力,也充分反映了我国对支持战略性前沿基础科学研究的敏锐判断力和决策力。

  量子为我所用,不日将至。

  来源:中国科学院