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潘建偉:手握量子“秘鑰”的人
發布日期:2019-12-25 來源:中國新聞周刊
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潘建偉(左二)在中國科學技術大學一實驗室內了解科研情況。圖/受訪者提供

物理學家給人們的刻板印象,就像《生活大爆炸》里謝爾頓那樣——不善言辭,甚至有輕度社交障礙。然而,潘建偉善于溝通。無論面對記者還是成百上千的普通聽眾,他都能侃侃而談,不時用通俗易懂的例子解釋晦澀的量子物理。

在談到什么是量子態隱形傳輸時,他將一對糾纏粒子比作夫妻,第三個粒子的介入就像是插足的第三者,會和夫妻中的一方結合成新的夫妻。與此同時,“第三者”攜帶的單身信息就傳遞到那個不幸變成“單身漢”的那個粒子上。

很多人也注意到了他的這種特質?!痘⒍儆時ā肪駝庋枋鏊難萁卜綹瘢涸?019年7月于上海舉辦的一場學術論壇上,潘建偉用科學癡人愛因斯坦與“星際迷航”的笑話來輔助幻燈片演示;在談到“薛定諤的貓”這個量子物理中的經典思想實驗時,潘則運用站立又平躺的卡通貓圖片來解釋量子疊加的概念。

這樣健談的風格,或許是這位物理學家能夠為其艱深的科學研究找到更多支持的一個砝碼。“潘建偉是熱情的樂觀主義者,同時,他有說服投資者的天賦。”《自然》雜志這樣評價他。

盡管潘建偉不是中國最早開始量子領域研究的人,但在最近幾年,他成了國內這一領域旗幟性的人物,在一些媒體報道中,甚至被冠以“中國量子之父”的稱號。這位中國科學技術大學常務副校長、中科院院士與物理學家是眼下中國最當紅的科學明星:2017年,潘建偉被《自然》雜志評為年度十大科學人物;2018年,入榜美國《時代》周刊年度最具影響力人物;同年冬天,他與諾貝爾獎得主屠呦呦等人一起,入選中國100位改革開放先鋒人物。

明星科學家之路

2017年9月29日,在北京海淀區西北旺地區一處寫字樓里面,奧利地首都維也納和北京這兩個相隔半個地球的城市之間舉行了一場不尋常的視頻連線。這次通話的信號路線,先通過“京滬干線”北京控制中心與“墨子號”衛星興隆地面站的連接,然后通過“墨子號”衛星與奧地利地面站接通。

此次視頻依然使用傳統通信,特殊之處在于采用量子密鑰對信息進行加密,使其成為世界上首個跨洲際的量子保密視頻通信。在中國領先的前沿科技中,量子通信是濃墨重彩的一筆,而潘建偉和他領導的團隊,則是促成這一優勢的核心因素。

1996年,在中科大近代物理系完成本科與碩士階段學習的潘建偉,進入奧地利因斯布魯克大學攻讀博士學位,師從安東·塞林格。彼時,他并不知道塞林格正領銜著一個量子信息研究大型項目——在中國,當時一個科研項目的經費常常只有五萬、十萬元人民幣,而這個項目卻是一百多萬歐元級別的。

在世界級實驗室,潘建偉一邊在一線參與實驗,同時也在琢磨將來應該往什么方向發展。那時候,他就已經開始留心所學所做,打算未來將這一新興技術帶回中國。

潘建偉在因斯布魯克大學就讀期間,量子計算機最早的開拓者之一彼得· 佐勒是該校的教授。他告訴《中國新聞周刊》,潘參與了量子通信早期的實驗,并奠定了他在領域中的地位。但將潘建偉與其他學生區分開來的,則是一種能夠看清下一步并著手計劃的“遠見”。

彼得· 佐勒認為,如果他的學生、清華量子信息中心執行主任段路明是那種深耕某一個方向、不太擅長表達也不愿意被其他事物分心的科學家,那么潘建偉則是另一種類型:他不一定親自去撥弄實驗器材,但是他能站在后方運籌帷幄。段路明比潘建偉小三歲,潘建偉從因斯布魯克大學博士畢業那年,段路明赴該校理論物理研究所從事博士后研究。

中國對量子物理的研究,最早可追溯至1970年代,那時候的研究還比較零散,不成氣候。1980年代,中科大的郭光燦與山西大學的彭堃墀等一批先行者們,開始系統性地涉足量子物理。二人后來同在2003年當選為中科院院士。先于潘建偉十多年之前,1995年,中科院物理所研究員吳令安實現了國內第一個自由空間量子密鑰分發演示實驗。2001年,在郭光燦的多方努力下,他終于申請到了第一個國家科技部“973”項目“量子通信與量子信息技術”。就在這一年,從奧地利回到中國科大的潘建偉,也在郭的項目中擔任相關課題的負責人,并開始著手建立自己的實驗室。

“潘的專長主要是光子以及量子儲存器,但是他會想到,如果要在國際競爭中有一席之地,還需要哪些拼圖,并有眼光選擇未來能夠帶領各個板塊的年輕人。”彼得· 佐勒說。如今,“潘建偉的研究團隊幾乎覆蓋了量子信息科學的所有領域,包括冷原子、精密測量、超導量子計算和量子傳感器等等。”彼得· 佐勒說,“這就像打好了一個寬的地基,以后才能在上面蓋高塔,而不是手里只拿著一塊磚。”

潘建偉通過送學生去國際一流機構深造來培養團隊。在美國斯坦福、英國劍橋、牛津等頂尖大學的相關實驗室,都有他派出去合作研究的學生。“我跟學生們說,咱們做一個約定:大家把幾個技術全學會,然后在適當的時候一起回國,合起來做一點別的團隊做不了的事情。”潘建偉說。

潘的團隊從2003年開始做量子衛星的實驗:系列地面實驗證明,通過衛星進行量子通信是可行的。在潘建偉的領導下,2016年8月,量子科學實驗衛星“墨子號”在酒泉衛星發射中心發射升空,是全球首顆量子衛星;2017年9月,長度超過2000千米、由32個中繼站組成的世界上第一條長距離量子安全通信線路“京滬干線”投入使用。

在潘建偉團隊實施這些項目之前,國際上已經開展了多個量子密鑰分發的實驗。1993年,英國國防部在10公里的光纖中實現了相位編碼量子密鑰分發;1999年,美國洛斯· 阿拉莫斯國家實驗室實現了500米的量子密碼自由空間傳輸;2002年,瑞士實現了67公里的量子密鑰分發實驗;2004年,世界上第一個量子密碼通信網絡在美國馬薩諸塞州劍橋城正式投入運行,網絡傳輸距離約為10公里。

2018年,沃爾夫物理學獎頒給了量子通信領域的兩位科學家本內特與布拉薩德,他倆既是量子密鑰分發方案的提出者,也是量子隱形傳態的最早提出者。在潘建偉提供給《中國新聞周刊》的一份資料中寫道:“今年在介紹沃爾夫物理學獎獲得者的網頁上專門提到,量子密鑰分發已經成功實現商業化,在光纖中已經能做到幾百公里,用衛星可以做到上千公里。需要指出的是,這兩個紀錄都是我國科學家創造的……這是中國科學家的貢獻,也是中國量子通信領先世界的標志。”換句話說,雖然量子通信的理論方案不是由中國人提出的,但中國在將這一理論變為現實的過程中走在了世界前面。

“大時代”

1984年,只是中國科大物理系一名普通講師的郭光燦,還在為區區2000多元的辦會經費而奔波。他向學校爭取到經費后,在安徽省滁州市瑯琊山瑯琊寺召開了全國第一屆量子光學學術會議,邀請到了50多人參會。而郭所從事的量子科研,當時一度因被質疑為偽科學,申請科研項目時屢屢碰壁。

時光流轉,到了2001年,當潘建偉回國組建自己的實驗室時,他透露“中科院與基金委給了690萬的資金支持,這在當時是筆巨款。”這筆錢是他的團隊開展一些小規模前瞻性研究的基礎。

在2018年10月末的一場量子技術國際研討會上,法國科學院院士阿蘭·阿斯佩表示,中國同行能走到世界前茅,一方面得益于有非常好的想法,一方面得益于他們能夠申請到足夠的經費去實現這個想法、達到現在這種規模,這也是中國經濟高速發展的結果。

多位從事量子通信領域研究的外國學者都提到,過去,因成本考慮,歐洲和美國都不愿意投資量子衛星。俄羅斯量子中心專門研究量子加密攻防的科學家Vadim Makarov在接受《中國新聞周刊》采訪時就表示,“我們沒辦法說服一些歐洲國家與美國政府對這個領域給予足夠的投資,而中國做到了。”

“如果沒有國家強大的經費支持,就沒有辦法做那些實驗,只能光在紙上談兵了。”華南師范大學信息光電子科技學院教授張智明近來接受媒體采訪時表示,在量子科學等基礎研究方面,國家經費支持強度很大,普通項目也都能申請到七八十萬,而一些受重視的大團隊,要人有人、要錢有錢,“有些項目的經費多達數千萬、上億元”。

在多個公開場合,潘建偉都提到這種國家支持的意義。“我們正處在一個大時代,更好的說法是新時代,這得益于國家經濟的發展,讓我們能夠做一些讓國外的同事也羨慕的事情。”在2017年的未來科學大獎頒獎典禮上,潘建偉如是說。

據大連理工大學一支研究團隊今年3月發布的《中國研發經費報告(2018)》,2009~2016年,中國政府研發經費支出從1358億元增長至約3141億元,平均年增長率為13%;2017年中國全社會研發經費投入已達1.76萬億元,僅次于美國。

更多資金正在向量子技術領域涌入,潘建偉在其中扮演重要角色。2017年7月,作為量子信息科學國家實驗室的先行探索,中國科學院量子信息與量子科技創新研究院揭牌,潘建偉擔任院長,安徽省、合肥市首期聯合安排了10億元專項科研資金進行前期配套,安徽省也成立了遠期規??紗?00億元的量子技術發展基金支持科技成果轉化。2017年年底,合肥量子信息科學國家實驗室全面開工,總投資約70億元。

量子保密通信是什么

上海交通大學電子工程系教授曾貴華向《中國新聞周刊》介紹,量子技術廣義上包括量子物理與量子信息技術兩大板塊。在量子信息技術中,主流的細分領域主要包括四大部分:量子通信、量子計算機、包括量子成像與量子陀螺在內的量子精密測量,以及該領域通用的一些支撐性材料或器件。

潘建偉告訴《中國新聞周刊》,量子通信主要包括量子密鑰分發和量子隱形傳態。他此前也曾表示,國際上把量子隱形傳態、量子糾纏交換和量子密鑰分發等幾種技術統稱為量子通信。量子通信并非狹義化的概念,是指用量子態來傳遞信息,所傳遞的信息可以是經典信息,也可以是量子信息。對此,中科院量子信息重點實驗室主任、中科院院士郭光燦曾經在其發表的《兩種典型的量子通信技術》一文中,也明確表示量子通信有兩種最典型的應用,一種是量子密鑰分發,另一種是量子隱形傳態。

同時,郭光燦在其《量子十問之五:量子密碼是量子通信嗎?》一文中進一步指出,真正的“量子通信”有其確切的內涵,即將信息編碼在量子比特上,在量子通道上將量子比特從甲方傳給乙方,直接實現信息的傳遞。這種真正的“量子通信”目前仍處于基礎研究階段,離實際應用還相當遙遠。

曾貴華介紹說,通信追求有效性、可靠性與可信性。其中,可信性關注傳輸過程的安全與否,通常采用密碼技術實現,涉及加解密算法與安全密鑰兩個主要部分。盡管也有學者在研究量子加解密算法,但這種思路的進展比較慢,而量子密鑰分發技術則在工程上取得了更快進展。不論是“京滬干線”,還是“墨子號”量子衛星,它們的實用價值,主要在于量子密鑰分發。清華大學物理系教授王向斌指出,量子密鑰分發是最先走向實用的量子信息技術。

“如果從有效性、可靠性與可信性三個維度來衡量通信系統的話,有人把量子保密通信,或者更準確地說,量子密鑰分發技術,認為是量子通信也有一定的道理,但是它并非一種直接的關系。量子保密通信只是量子通信中的一個核心技術、一個支撐,或者說一部分。”曾貴華強調說。

郭光燦說得更為直白:所謂“通信”簡單地說就是傳遞信息。量子密碼只是傳送經典隨機數而已,不包含有任何信息內容,因此,與“通信”無關。現在媒體、學術界所說的“量子通信”是某些人概念不清的誤導,其實只是量子密碼或者量子保密通信。

量子密鑰一直以其安全性名聲在外。潘建偉曾解釋,量子保密通信技術通過量子密鑰分發在兩地間共享量子密鑰,所共享的量子密鑰用于加解密所要傳輸的信息,可實現兩地間信息的高安全保密傳輸,遠超現有通信技術所能提供的安全性。學界將這種安全性稱之為 “無條件安全”或者“絕對安全”,它指的是有嚴格數學證明的信息安全性。

俄羅斯量子中心的科學家Vadim Makarov在接受《中國新聞周刊》采訪時解釋說,量子加密從原理上是無法攻擊的,但是協調系統里的一些零部件,則可能留下人為漏洞。王向斌也解釋說,這與加密本身無關。就好比給門上了鎖,沒有鑰匙無法打開,但無法預測的是,有人用錘子將鎖敲掉的情況。

這種利用現實系統不完美性的攻擊,具體來說有兩類:對光源及探測器的攻擊。不過,王向斌等人今年3月份撰文指出,對于這兩種可能的安全隱患,學界均已經研究出應對方案,他們聲稱,“量子保密通信的現實安全性正在逼近理想系統。”

以傳統通信中的光纖作為傳送介質,超過 500公里后,光量子就會因為吸收變得非常稀少,信號衰減卡住了遠距離密鑰分發的咽喉。潘建偉曾解釋,由于量子的信息攜帶者光子在光纖信道上傳播100公里之后,大約只有1%的信號可到達最后的接收站,所以光纖量子通信達到百公里量級就很難再突破。但光子穿透整個大氣層后卻可以保留80%左右。

“更遠的傳輸距離,比如說1000公里或者2000公里,肯定要用量子中繼。這方面雖然基礎研究做了很多,也發表了很多高水平文章,但是設備做不出來。”曾貴華說。“京滬干線”目前采用的是可信中繼在途中來增強信號。所謂可信中繼,簡單地說就是按傳統的方式儲存數據。郭光燦對此指出,可信中繼依賴人的因素,所以并不安全。不過,潘建偉認為,采用可信中繼只需保證中繼點安全性即可,這相比傳統通信整條線路都面臨信息泄露的風險而言,已是安全性的巨大進步。因此,作為目前技術條件下有效擴展量子保密通信距離的階段性解決方案,可信中繼技術被廣泛應用于中遠距離量子保密通信干線,例如郭光燦、韓正甫團隊聯合相關企業建設的南京到蘇州總長近600公里的“寧蘇量子干線”等。

潘建偉指出,在完美的量子中繼出現之前,衛星是實現遠程量子通信的一個很好的解決方案,能實現幾千公里之間的量子密鑰分發。在中科院的官方報道中,“京滬干線”可滿足上萬用戶的密鑰分發業務需求,而“墨子號”與“京滬干線”天地鏈路的結合,意味著中國成功實現了洲際量子保密通信。

然而,郭光燦在接受《中國新聞周刊》采訪中指出,這些成果的宣傳效果大于實際意義。他指出,量子衛星是一個演示性裝置,不可能實現實際應用。一方面,一次一密要求一秒鐘所發密鑰數量與要傳遞信息的比特數目相同,而從衛星掃向地面一次只有5分鐘,這個時間長度無法做到一次一密所要求的高密度成碼率;另一方面,遇到霧霾、雨天等天氣狀況時,光子在大氣中衰減,星地便無法連通,此時使用預先儲存的密碼,也做不到一次一密。所謂一次一密,即密碼長度與明文(所傳遞信息)長度一樣長,且用過后不再重復使用,這能保證密文絕對無法破譯。

曾貴華也認為,衛星的方法有一些弊端,比如說衛星掃描合肥時,可能一兩分鐘就結束了,通信必須掐準這個時間。此外,光的傳輸受陽光制約,目前“墨子號”只能在夜晚“上崗”;還有一個更實際的考量是,發射衛星的成本太高,商用難以推廣。

對此,潘建偉解釋說,從現實應用的角度出發,“一次一密”適合于極端機密的保密通信,這類任務的信息量往往并不大。目前的“墨子號”已經可以達到100千比特/秒(kbps)的量子密碼成碼率,無論是即時產生密鑰還是預先存儲密鑰,現實中大多數需要“一次一密”保密通信的任務需求基本可以滿足。而對于一般的保密通信,利用量子密鑰作為種子密碼與經典對稱加密方法(如AES算法等)相結合,已經可以大幅度提高現有通信系統的安全性——因為量子密鑰分發可以大大提高密鑰更新速度——同時可達到超過Gbps的通信速率。目前,潘建偉團隊正在研發下一代的中高軌量子通信衛星,這顆衛星的過境時間將達到數小時,經估算,年量子密鑰分發量足以滿足機要部門高等級保密要求業務的需求。此外,對于惡劣天氣狀況的影響,團隊目前已有克服的方案,例如利用無人機跨越云層等,在將來會進一步實現。

2016年,曾有媒體報道稱,2019年前后,量子通信就將服務于消費者的網上轉款和支付。但如今,量子加密通信的產業化似乎并不順遂,它尚未走入普通人的生活。潘建偉向《中國新聞周刊》表達了他的預測:“我覺得五年肯定有規?;撓τ昧?,十年可能在一些非常重要的部門有較大規模的應用,十五年至二十年后,應用的范圍會更加廣,成本也會降得更低,可能我們(普通人)能夠用得上。”

曾貴華補充說,量子密鑰技術本身來說是比較成熟的,但在商業應用方面,還要考慮其他一些問題,比如性價比。一個量子密鑰比特的成本要比經典通信高,所以下一步需要考慮如何降低量子密碼設備的價格,提高性價比。

“量子”競爭

據《紐約時報》2018年底報道,受中國近來量子研究取得的進展所震動,美國正在努力追趕。南加州初創企業Qubitekk正在使用量子加密技術來?;ぬ錟晌髦蕕牡繽?;另一家美國公司Quantum Xchange正在曼哈頓和紐瓦克之間建設量子加密網絡,并計劃把在這兩個城市運營的大型銀行連接起來,且希望這個通信網可以延伸至美國整個東海岸 。

“2017年‘京滬干線’開通之后,中間有一段時間其他國家(的量子保密通信研究)是空檔期,處于一個震驚、或者說思考階段。那么從去年開始就不一樣了。”潘建偉告訴《中國新聞周刊》,從2018年開始,如夢初醒的美國開始建類似“京滬干線”的網絡;在歐洲,同樣的計劃也納入了德國、意大利、英國等國家的待建清單。2019年6月下旬,7個歐盟國家簽署宣言,宣布要在接下來的12個月里共同探索如何在未來十年里貫通整個歐盟地區的量子加密通信基礎設施,包括路面與衛星兩個系統。

眼下,潘建偉正在積極推進國家層面的量子信息科技布局。在多個公開場合,包括在2018年全國兩會上,他都在呼吁:盡快實質性地啟動國家實驗室建設以及相關領域的科技創新2030項目。“科技創新2030項目”由國家科技部牽頭啟動,共有16個項目,其中包括量子通信與量子計算機。

“在重大項目的支持之下,經費和組織有保證,才能把事情做好,”潘建偉說,量子保密通信目前的應用還停留在“大哥大”的水平,看起來又笨重又昂貴。因此,在這方面,要繼續做應用基礎研究,提高速率和距離,然后降低成本、工程上做到小型化,在這些基礎上探索量子保密通信的商業化應用。

“量子保密通信現在基本上已經與科學沒有什么關系了。現在主要的問題是,如何將它轉換為一個成熟的商業模式推向市場。比如說,如何合理地定價、是給客戶銷售加密服務還是密鑰這類商業問題。”Vadim Makarov說。

“在量子科技中,從原理上來說量子保密通信是比較容易實現的,這也解釋了為何量子密鑰技術最先走向市場,當然,量子中繼器是遠距離量子保密通信現在難以逾越的瓶頸;但另一條平行線上,研發量子計算機是一個難度大得多的游戲。”彼得· 佐勒說。

2016年12月,英國政府科學辦公室發布的《量子時代:技術機會》報告認為,人類正處在第二次量子革命的前夜,并將原子鐘、量子成像、量子傳感器和測量、量子計算和模擬以及量子通信作為五大重點研發領域。

彼得· 佐勒說,如果你遠眺量子科技里的群山,這里面只有一座珠穆朗瑪峰,那便是量子計算機。量子通信,自然是其中一座,但是要容易攀爬得多。

在量子信息技術中,多位業內人士認為,量子精密測量是最接近產業化與實用化的,通過量子態對外界進行測量的方法,在精度上突破了經典力學的散粒噪聲極限。潘建偉也指出,不同于功能單一的量子通信與量子計算,量子精密測量的用途很廣,包括時間、長度、溫度等尺度,他預計接下來的5到15年間,各式各樣的應用會陸續推出。

在該領域,中國也扮演重要角色。2019年8月,中科大郭光燦團隊與南京大學合作,優化了量子弱測量的測量方法,把單光子克爾效應測量精度再次提升接近一個量級,實驗結果首次逼近了最優海森堡極限——量子力學理論范疇內所能達到的最高精度;9月,中科大杜教授杜江峰團隊運用量子技術,首次在室溫水溶液環境中探測到單個DNA分子的磁共振譜。不過,潘建偉認為,量子精密測量,也是中國跟國際上差距最大的地方。

“在陸地與衛星通信線路的長度來看,潘建偉帶領的中國量子加密網路無疑是世界領先的,可能要比美國領先10年;但是在量子計算機的發展上,中美的情況則恰恰相反。”美國路易斯安那州立大學理論物理學教授喬納森·道林說。

在IBM、谷歌與微軟等大企業的投資下,美國的量子計算機研發在全球領先。據市場研究機構Patinformatics數據,2018年,中國在量子科技領域申請的專利數量為492項,差不多是美國的兩倍,居于世界領先;但是從細分領域來看,美國的量子計算機專利數量為193,中國僅為63。

2019年10月23日,谷歌宣布其實現了“量子霸權”:谷歌在當天發表的論文中表示,已經開發了一款54量子比特數的量子芯片Sycamore,在執行一個隨機數字采樣的任務上超越了經典計算機。不過,質疑的聲音認為,它執行的計算任務沒有已知用途,不足以證明其通用性。所謂量子霸權,是指量子計算設備可以超越經典計算機,解決后者無法完成的計算任務。

彼得·佐勒說,今天,實驗室中已經有了20或50量子比特數的小型量子計算機,但如果要這些設備真正可實用,需要的是突破量子容錯糾錯難題。“在接下來的五年到十年,我們可能會看到幾百量子比特數的量子計算機冒出來,有些有部分糾錯能力,有些沒有。但最終大規模、高速度的量子計算機,我猜可能需要上萬、甚至上百萬量子比特,以及強大的容錯能力。”

量子計算的物理實現方案不止一種,對于目前該領域的競爭態勢,彼得·佐勒認為,人們用不同的方法在這個游戲中競爭,就好像選擇不同的攀登路線,但現在攀登者們的位置,卻都還在山腳。

量子科技儼然成為當下國際競爭中的必爭之地,引來各國大手筆下注。2018年6月,美國眾議院科學委員會一致通過了《國家量子行動法案》,2019~2023年,美國將在量子研究方面投入12.75億美元;2018年10月,歐盟宣布《量子旗艦計劃》將在未來十年間在量子傳感器、量子通信與量子計算機領域投入10億歐元。

比特·佐勒驚訝于這么充裕的資金進入量子科技領域。25年前,當彼得·佐勒等一批量子計算機領域的先鋒們提出這個想法時,他們面對的幾乎都是質疑聲,一位諾貝爾獎得主曾經“潑冷水”說,“量子計算兩年后就會被遺忘”。

如今,彼得·佐勒感受到的另一種截然相反的態度:人人都在談論量子。越來越多的公司和資本進入這個領域,做出各種各樣的承諾,“但是到了某個節點,人們會問,你們許諾的東西真正實現了多少?”

彼得·佐勒認為,過分炒作意味著過高的期望值,而不切實際的期待往往意味著失望的情緒,最終受傷的是科學家們。“我們有理由對量子科技的未來保持熱情,但不要過分炒作,當人們期待落空,量子領域將會進入寒冬。”(記者 彭丹妮)

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