去年年底一個(gè)晴朗的夜晚，在中緬邊境附近某處，地平線上出現(xiàn)一個(gè)綠點(diǎn)。“就好像一顆明亮的綠色恒星。”中國(guó)科技大學(xué)物理學(xué)教授陸朝陽(yáng)在麗江郊區(qū)的一個(gè)觀測(cè)站，目睹了這一景象。
他和同事們必須眼疾手快。這個(gè)綠點(diǎn)其實(shí)是一道激光，發(fā)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(wèi)星。這顆衛(wèi)星好比是燈塔，激光則是它發(fā)出的信號(hào)，播送著衛(wèi)星的位置。激光將劃過(guò)夜空，用不了十分鐘，就會(huì)消失在地平線下。于是，團(tuán)隊(duì)（成員來(lái)自中國(guó)的多家科研機(jī)構(gòu)）用望遠(yuǎn)鏡鎖定激光，搜尋他們真正的獵物：一個(gè)個(gè)微乎其微的紅外光子，是由衛(wèi)星上搭載的特殊晶體產(chǎn)生。在過(guò)濾掉綠光后，他們盯住了自己的獵物——一種從未被發(fā)送過(guò)的量子信號(hào)。
這是一場(chǎng)意義深遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)，目的是測(cè)試一種名為量子密碼學(xué)的嶄新技術(shù)通訊，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(fā)送，最多只能傳輸240公里，否則信號(hào)就會(huì)受損。想要在全國(guó)或全球范圍內(nèi)發(fā)送信息，根本力不從心。
因此。研究人員很早就提議：用人造衛(wèi)星遠(yuǎn)距離播送量子粒子。在此次實(shí)驗(yàn)中，人造衛(wèi)星在兩個(gè)相距1200多公里的地面站之間連續(xù)發(fā)送單光子信息，創(chuàng)下紀(jì)錄?！霸诹孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的拓展方面，這無(wú)疑是一個(gè)里程碑。”巴黎量子計(jì)算中心（Paris Center for Quantum Computing）副總監(jiān)海倫·戴蒙德（Eleni Diamanti）說(shuō)，他并未參與該實(shí)驗(yàn)。
去年8月，中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了這枚造價(jià)高達(dá)1億美元的人造衛(wèi)星。發(fā)射前，研究人員在其中架設(shè)了一個(gè)由激光、反射鏡，以及一種特殊晶體組成的復(fù)雜系統(tǒng)。他們將一束激光射向晶體，使之產(chǎn)生光子對(duì)，也叫做糾纏光子。該晶體一次能產(chǎn)生600對(duì)光子對(duì)，但在地面上，兩個(gè)地面站每秒只能探測(cè)到大約一對(duì)?！斑@是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)?！标懗?yáng)說(shuō)，“就好像要在300米開(kāi)外看清一根頭發(fā)?！?/p>
陸朝陽(yáng)等研究人員認(rèn)為，量子加密學(xué)也許是加密工具的未來(lái)。在執(zhí)行正確的情況下，其傳輸協(xié)議如下：先檢測(cè)光子的特性，生成一個(gè)由1和0組成的密鑰，發(fā)給接收者；再用該密鑰加密信息，并把信息發(fā)送出去。按照量子力學(xué)的理論，如果有外人想要竊取密鑰，它就會(huì)立刻轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪唤M數(shù)字。就像薛定諤的貓，你不去看，貓就始終處于生與死的疊加態(tài)。你一看，它要么活著，要么已經(jīng)死亡。同樣的道理，竊取行為會(huì)立刻改變構(gòu)成密鑰的光子，也就是說(shuō)，從理論上講，物理定律注定了竊取行為不可能成功。（但實(shí)際操作中，硬件不可能盡善盡美：現(xiàn)有的探測(cè)器還無(wú)法很精準(zhǔn)地接收單一光子，可能會(huì)受到外部環(huán)境干擾 。）
此次發(fā)射——以及實(shí)驗(yàn)本身——都醞釀已久。
碩士期間的陸朝陽(yáng)（左一）在潘建偉教授（左三）指導(dǎo)下研究量子計(jì)算
中國(guó)科技大學(xué)的潘建偉是領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的物理學(xué)家，早在2003年，他就提出了這一人造衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)的設(shè)想。他的團(tuán)隊(duì)約有100名成員，大家花了多年時(shí)間，精心設(shè)計(jì)、構(gòu)建和調(diào)試這套激光與衛(wèi)星系統(tǒng)。他們先是進(jìn)行地面實(shí)驗(yàn)：在幾公里距離內(nèi)測(cè)試密鑰傳輸，隨后逐漸拉長(zhǎng)距離。
但相對(duì)于同領(lǐng)域的其他研究團(tuán)隊(duì)，他們的進(jìn)展是相當(dāng)生猛的，加拿大滑鐵盧大學(xué)物理學(xué)家托馬斯·詹寧威（Thomas Jennewein）說(shuō)。最近，他成功地將一個(gè)量子密鑰從地面發(fā)送到了正在飛行的飛機(jī)上。多年前，詹寧威曾多次提出過(guò)開(kāi)展量子加密通訊實(shí)驗(yàn)的設(shè)想，想要在國(guó)際空間站上進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)?！坝捎趶?fù)雜性和成本等種種原因，那些項(xiàng)目都停留在研究階段?！彼f(shuō)，“但中國(guó)團(tuán)隊(duì)說(shuō)干就干，而且真的做到了。很了不起。”
中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)展之所以如此之快，是因?yàn)檎邔訉?duì)這類技術(shù)十分重視，昆山杜克大學(xué)的丹尼斯·西蒙（Denis Simon）說(shuō)，他是中國(guó)科學(xué)政策方面的專家。他說(shuō)，因?yàn)榈玫搅烁邔拥氖卓希允∪チ朔爆嵉慕?jīng)費(fèi)申請(qǐng)流程。政府對(duì)這種技術(shù)感興趣，是想借助量子保密通信，服務(wù)國(guó)家利益。
與此同時(shí)，其他國(guó)家的研究人員也在嘗試類似的實(shí)驗(yàn)——只不過(guò)面臨更多繁瑣的手續(xù)。
戴蒙德的團(tuán)隊(duì)向歐洲空間局遞交了一項(xiàng)提議，想以國(guó)際空間站為發(fā)射點(diǎn)，向歐洲的多個(gè)地面站點(diǎn)發(fā)送量子粒子。到目前為止，他們?nèi)栽诘却龤W洲空間局的回應(yīng)。美國(guó)也在進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)，領(lǐng)導(dǎo)這方面工作的是保羅·科亞特（Paul Kwiat），伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的一名物理學(xué)家。實(shí)驗(yàn)將在國(guó)際空間站上進(jìn)行，美國(guó)宇航局（NASA）也參與其中。
但沒(méi)有一個(gè)國(guó)家像中國(guó)這樣充滿雄心。陸朝陽(yáng)說(shuō)，他的研究小組還計(jì)劃用一顆新的衛(wèi)星進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，該衛(wèi)星所處軌道更高，能在相距更遠(yuǎn)的城市間發(fā)送量子密鑰。他們想聯(lián)手奧地利的協(xié)作者，在兩國(guó)之間交換量子密鑰。潘建偉說(shuō)，到2030年通訊，中國(guó)將發(fā)射一批這樣的衛(wèi)星，建立起一個(gè)覆蓋全球的網(wǎng)絡(luò)?！拔覀兒苄疫\(yùn)，能得益于一個(gè)高效的決策體制?！标懗?yáng)說(shuō)。
當(dāng)政治與科學(xué)的利益不謀而合時(shí)，其力量是無(wú)與倫比的。
翻譯：雁行
