來自中國的“墨子號”量子衛(wèi)星從太空發(fā)出兩道紅色的光，看上去像極了漢字里大寫的“人”字，這幅景象被當(dāng)作“封面”，刊印在6月17日的美國知名學(xué)術(shù)期刊雜志《科學(xué)》上。這一次中國科學(xué)站到了世界面前，而且是挺直腰桿，站在了最前沿。
6月16日，中國量子科學(xué)實驗衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副校長潘建偉院士在媒體的閃光燈下宣布：中國率先實現(xiàn)了“千公里級”的星地雙向量子糾纏分發(fā)，打破了此前國際上保持多年的“百公里級”紀(jì)錄，回答了愛因斯坦關(guān)于量子力學(xué)的“百年之問”。
中國量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”。資料圖片
贊譽(yù)、解讀、報道紛至沓來——
《科學(xué)》雜志審稿人稱該成果是“兼具潛在實際現(xiàn)實應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué)研究重要性的重大技術(shù)突破”，并斷言“毫無疑問將在學(xué)術(shù)界和廣大的社會公眾中產(chǎn)生非常巨大影響”。
美國波士頓大學(xué)量子技術(shù)專家謝爾吉延科評價：這是一個英雄史詩般的實驗，中國研究人員的技巧、堅持和對科學(xué)的奉獻(xiàn)應(yīng)該得到最高的贊美與承認(rèn)。
在中科院新聞發(fā)布當(dāng)天，潘建偉沒有刻意掩飾自己的激動，他說：“這是我這輩子目前為止，做過的最好的科學(xué)成果�！�
盡管對他和他的團(tuán)隊來說，所謂領(lǐng)跑，或是創(chuàng)造世界紀(jì)錄，早已是家常便飯——
就在一個月前，潘建偉團(tuán)隊研發(fā)的世界上第一臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的光量子計算機(jī)問世。再往前，2003年，潘建偉團(tuán)隊實現(xiàn)了四光子糾纏態(tài)——一個量子糾纏研究領(lǐng)域基礎(chǔ)性工作，此后多年，該團(tuán)隊又先后實現(xiàn)五光子、六光子、八光子、十光子糾纏，一直保持著多光子糾纏的世界紀(jì)錄，并頻頻引來學(xué)界和媒體的關(guān)注。
英國《自然》雜志在報道潘建偉團(tuán)隊量子通信研究成果時就提到：這標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美。
如今，以量子衛(wèi)星最新實驗為代表的成果，讓中國再次挺進(jìn)量子研究世界版圖的中心。屬于中國的量子時間似乎正在到來。
“世紀(jì)之問”：全球大國新博弈
人類之所以愛上科學(xué)，很大程度上在于它能夠探索未知，滿足我們的好奇心。如今，一個不難描述的未知問題擺在人類面前——
在人類肉眼看不到的微觀世界中，事物究竟是以“概率”而存在的，還是“確定”存在的？舉個關(guān)于足球的例子，在宏觀世界，我們可以確定地知道它究竟在哪個點，但在微觀世界，一個足球就相當(dāng)于一個粒子，人們似乎只能判斷它出現(xiàn)在足球場某個點的概率，卻無法確切地知道它究竟在哪里。
量子力學(xué)正是微觀世界“概率論”的最大支持者。量子論里有一種特性，即量子糾纏，簡單來說，兩個處于糾纏狀態(tài)的量子，就像有“心靈感應(yīng)”，無論這些粒子之間相隔多遠(yuǎn)，只要一個粒子發(fā)生變化，另外的粒子也會即刻“感知”，隨之發(fā)生變化。
不過，愛因斯坦并不買賬，并譏諷這個現(xiàn)象為“幽靈般的超距作用”。也因此，他和波爾等科學(xué)巨擘為此展開激烈爭論，并留下一個“世紀(jì)年之問”：上帝擲骰子嗎？換言之，微觀世界都是由“概率”決定存在的嗎？
全球相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家，甚至是一些執(zhí)政者都為這個問題著迷。因為，一旦這種特性得到最終驗證，就有一個最為直接的應(yīng)用，即通過量子糾纏所建立起來的量子信道不可破譯，成為未來保密通信的“終極武器”。
按照潘建偉的說法，要讓量子通信實用化，需要實現(xiàn)量子糾纏的“遠(yuǎn)距離”分發(fā)。一代又一代學(xué)者接力走下來，人類似乎遭遇了“瓶頸”：由于量子糾纏“太脆弱”，會隨著光子在光纖內(nèi)或地表大氣中的傳輸距離而衰減，以往的實驗只停留在“百公里”量級的距離。
潘建偉粗略地測算過，使用光纖進(jìn)行量子分發(fā)，傳輸“百公里”距離，損耗已達(dá)99%；傳輸“千公里”的距離，每送1個光子大約需要3萬年，“這就完全喪失了通信的意義”。
于是，一場大國間的“量子通信”競賽就此出現(xiàn)，誰先沖到“千公里”的距離，似乎就能在這場賽跑中領(lǐng)先。潘建偉說：“大家不斷地去‘拉長’這個距離，以此來驗證量子糾纏的原理，步步逼近量子通信的實用目標(biāo)。”
“彎道超車”：中國在太空領(lǐng)跑
事實上，在量子物理學(xué)誕生的一百多年里，有關(guān)研究始終長盛不衰。但是，在只爭朝夕的國際科研競爭前幾十年，一直難見到中國人的身影。起步晚，是中國人甩不掉的標(biāo)簽，但這并不妨礙我們“彎道超車”。
2003年，潘建偉團(tuán)隊開始實驗“長距離”量子糾纏，從13公里到100公里，從追趕走向超越。2012年8月9日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志以封面標(biāo)題形式發(fā)表了潘建偉團(tuán)隊的研究成果：他們在國際上首次成功實現(xiàn)了“百公里”量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。
這一成果不僅刷新世界紀(jì)錄，有望成為遠(yuǎn)距離量子通信的里程碑，而且為發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星即如今的“墨子號”奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。同年12月6日，《自然》雜志為該成果專門撰寫了長篇新聞特稿《數(shù)據(jù)隱形傳輸：量子太空競賽》，詳細(xì)報道了這場激烈的量子太空競賽。
又過了4年，潘建偉團(tuán)隊通過發(fā)射“墨子號”衛(wèi)星，將“量子糾纏”的實驗距離拉到“1200公里”，把科學(xué)家一直假想的實驗變成了現(xiàn)實，也讓中國量子在太空中領(lǐng)跑全球。
加拿大滑鐵盧大學(xué)量子技術(shù)專家延內(nèi)魏因說，國際上確實存在量子科研競賽�！爸袊鴪F(tuán)隊已克服了好幾個重大技術(shù)與科學(xué)挑戰(zhàn)，清楚地表明了他們在量子通信領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位�！�
相應(yīng)地，類似的實驗，歐盟、加拿大、日本都有科學(xué)家在呼吁和推進(jìn)。但或因技術(shù)積累不夠，或因資金支持不夠，目前進(jìn)展緩慢。
以美國為例，2015年美國航空航天局宣布一項計劃：在其總部與噴氣推進(jìn)實驗室之間建立一個直線距離600千米、光纖皮長1000千米左右、10個中轉(zhuǎn)基站的遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線，并計劃拓展到星地量子通信。不過，目前該計劃尚未有實際進(jìn)展的最新消息。
2015年年末，英國政府發(fā)布的《量子時代的技術(shù)機(jī)遇》報告顯示，中國在量子科技的論文發(fā)表上排在全球第一、專利應(yīng)用排名第二。在“第二次量子革命”的起步階段，中國異軍突起進(jìn)入“領(lǐng)跑陣營”。
如今，在最新量子太空競賽中，中國“墨子號”再次獨占鰲頭，第一個沖過“千公里”量級的跑線。參與這次實驗的兩個地面站分別是青海德令哈站和云南麗江高美古站，兩站距離1203公里。有評論稱，發(fā)射后僅僅數(shù)月，世界上首顆量子通信衛(wèi)星就已經(jīng)達(dá)到了它最具雄心的目標(biāo)之一，量子通信向?qū)嵱眠~出一大步。
異軍突起：體制機(jī)制做后盾
潘建偉不止一次地被問到：中國這一次為何得以領(lǐng)先歐美國家？
而他的回答，往往是“集中力量辦大事”，有賴于中國“大科學(xué)”項目建設(shè)的高效性。
潘建偉說，這項成果是由一個“大團(tuán)隊”做出的。在中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的支持下，他和他的同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊，聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國家天文臺、紫金山天文臺、國家空間科學(xué)中心等單位合作完成。
如此列舉，并非只是在“功勞簿”上寫上一筆。
潘建偉說，一切進(jìn)展順利時，大家也許意識不到，但一旦遇到磕磕碰碰，就能深切地意識到“某些環(huán)節(jié)或某個機(jī)構(gòu)的不可或缺性”。他的一些歐洲、美國、加拿大同行，也曾有過類似的科學(xué)設(shè)想，但沒有類似團(tuán)隊的全力支持，只能作罷。
比如，量子信息實驗研究的先驅(qū)者、著名物理學(xué)家Anton Zeilinger研究組以及歐洲眾多的優(yōu)秀研究團(tuán)隊一直在與歐洲空間局商討建立以國際空間站為平臺的星地量子通信計劃。然而，歐空局緩慢的決策機(jī)制使得這一計劃一再拖延。
而在我國，早在2003年，潘建偉就向中科院提出利用衛(wèi)星實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的方案。在當(dāng)時的中科院內(nèi)部，這個“聞所未聞的想法”并非沒有收到質(zhì)疑的聲音，甚至有人說，“潘建偉瘋了”！
不過，中科院最終咬牙批給了潘建偉團(tuán)隊100多萬元——這在14年前可是一筆“相當(dāng)大”的科研經(jīng)費。
那時，有一個叫彭承志的，還是一頭黑發(fā)的年輕小伙，如今卻已是頭發(fā)花白的量子衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的教授，也是這次“千公里”量級重要成果的主要完成人之一。
據(jù)他回憶，2003年，潘建偉找到還是博士生的他，向他描述量子通信的前景。他問潘建偉：“這個事，是不是挺牛的？”
潘建偉說：“是世界上最牛的，至少是之一”。
“作為一個年輕人能夠做這樣一件事情，我沒有理由拒絕�！迸沓兄菊f。
按照潘建偉的說法，他從中國科大的研究起步，把人才布局輻射奧地利因斯布魯克、英國劍橋、德國馬普量子光學(xué)所……2008年，他帶領(lǐng)在德國的團(tuán)隊整體回歸中國科大，分布在世界各地的年輕學(xué)者也陸續(xù)回國，一支由他領(lǐng)銜、以陳宇翱、陸朝陽、張強(qiáng)、趙博等為代表的世界級研究團(tuán)隊“橫空出世”。
如今，14年過去，“千公里”量級的關(guān)卡闖了過去，這支團(tuán)隊正朝著“30萬公里”的終極距離去努力，繼續(xù)檢驗量子力學(xué)。未來，還有可能和探月工程結(jié)合，到月球上做實驗。
不過，潘建偉這位年僅47的院士仍有著“嚴(yán)重的危機(jī)感”。他說，沒做成的時候有很多懷疑，現(xiàn)在花了這么多時間做成了，國際上都紛紛表示要“盡可能趕上”。
正如一位美國同行所說，雖然第一艘宇航飛船和第一個人造衛(wèi)星都是蘇聯(lián)做出來的，但登月，美國卻是第一個。他們覺得只要努力，就可以在量子領(lǐng)域趕超中國。
