馬丁·賈爾斯：他使中國成為量子超級大國-馬丁·賈爾斯、潘建偉
2017年9月29日，一場令黑客無法破解的視頻會議在北京和遠隔萬里的維也納之間展開，其幕後功臣是中國的“墨子號”衞星。在“墨子號”以2.9萬公里時速劃過夜空的同時，它將小小的數據包傳送到距離北京幾小時車程的興隆觀測站。不到一小時後，衞星飛越奧地利上空，將另一個數據包發送到該國格拉茨市附近的一個站點。
這兩個數據包是保護數據傳輸的密鑰。這件事的非同尋常之處在於，由“墨子號”分發的密鑰是以處於脆弱量子態的光子編碼而成的。任何攔截它的嘗試都會破壞這個狀態，導致信息銷燬併發出黑客警報。這意味着量子密鑰比以傳統的比特（bit）形式——即以光電脈衝輸出可讀取、可複製的二進制數字信號——發送的密鑰安全得多。
儘管視頻的加密手段還是傳統的而非量子加密，但由於解密需要用到量子密鑰，它的安全性得到了保證。這使得它成為世界第一個洲際傳輸的量子加密視頻鏈接。
中國取得這一成就的幕後功臣叫潘建偉，中國科技大學教授，這所學校被有的西方媒體比作“中國的加州理工學院”。在取得一系列突破之後，現年48歲的潘建偉成為了中國的科學明星。他的工作受到國家主席習近平的讚揚，並被許多中國媒體稱為“量子之父”。
儘管量子通信和量子計算目前仍處於萌芽階段，但它們仍然是中國政府希望在2030年前取得突破的“重大項目”。中國認為量子時代的黎明即將來臨，希望像當年美國主導計算機時代和信息革命那樣引領未來。
而潘建偉，這位中國科學院有史以來最年輕的院士，正是中國量子事業的核心。
在接受《麻省理工學院科技評論》採訪時，潘建偉談到了國際合作的重要性，但他也明確表示，中國面臨獨特的窗口期，將對技術領域下一個元轉移產生重大影響：“在現代信息科學誕生之初，我們只是追隨者和學習者，”他説，“現在我們有機會成為引領者。”
潘建偉的雄心包括通過覆蓋全球的衞星搭建超安全的量子互聯網。此外，他還計劃在量子計算機領域幫助中國趕超美國。這些機器的基本計算單位是量子比特，與普通比特不同，量子比特可以同時處於1和0的量子態。通過一種近乎神秘的“量子糾纏”現象把量子比特聯繫起來，量子計算機的處理能力可以獲得指數級的提升。
在未來，量子計算機可以通過模擬化學反應來發現新材料和藥物，這樣的工作量不是傳統計算機能夠承受的。它還可以被用於迅速提升人工智能水平。採取量子密鑰分發的安全網絡可以用於傳輸金融交易等敏感數據，併為軍事行動和通信提供最高保密。研究人員還在研究量子傳感器和量子雷達，前者可以讓潛艇在不依賴衞星信號的情況下航行，後者可能擁有發現“隱形”飛機的能力。
接收器發出定位激光幫助“墨子號”衞星與地面建立聯繫
協同努力
儘管中美在量子技術領域競爭激烈，但“墨子號”衞星實現的視頻通話，在很大程度上是國際合作的結果。
它是潘建偉的團隊和奧地利科學院量子物理學家安東•澤林格的團隊合作的成果。上世紀90年代，澤林格是潘建偉的博導，他看到了這名年輕中國學生的潛力。“他來這裏時，百分之百地專注於理論物理，”澤林格回憶道，“但我意識到他能取得更大的成就，所以我建議他轉向實驗，他做得非常成功。”
潘建偉2011年向澤林格提出在洲際量子密鑰分發領域展開合作，令他曾經的老師感到十分高興。潘建偉團隊已經進行了多年的實驗來證明天基系統（space-based system）是可行的，並獲得了中國政府關於建造專用衞星的批准，該衞星於2016年發射。
在地面上實現量子密鑰分發已經很困難了，通過衞星實現這一目標意味着許多額外問題需要解決，比方如何實現衞星傳輸信號與地面接受站的精準對齊，以及如何儘量減少光子在大氣中丟失的數量。多倫多大學物理學教授Hoi-Kwong Lo表示，觀察人士對此刮目相看。他補充道：“中國向量子領域投入大量資源，這意味着他們可以做其他國家做不到的事情。”
中國的其他成就包括建立世界最長的地面量子密鑰分發網絡。潘建偉也設計了北京和上海之間長達2032公里的地面連接，量子密鑰可以在兩個基站之間傳遞，為金融和其他敏感數據的傳輸提供了超安全的網絡，部分中國城市也在建設基於此技術的市級網絡。
由於政府項目的經費不透明，因此很難準確衡量中國在量子項目上的投資規模。但潘建偉説，中國未來國家級量子項目的資金規模至少將與歐洲持平。歐洲最近的量子技術旗艦項目是個10年10億歐元的大型計劃。
儘管資金很重要，但中國的成功不僅在於為衞星和其他項目提供資金。中國還得益於數十年如一日的人才戰略，把年輕的研究人員送到國外，向澤林格這樣的專家學習，然後吸引他們回國繼續工作。
中國在量子科學領域發表了許多高質量論文，在量子通信和量子加密學等方向的專利數量也在飆升，遠遠超過了在美國和其他國家的註冊專利數量。
為了培養未來的量子研究人員，中國投資10億美元在合肥建設國家量子信息科學實驗室，該實驗室將於2020年開放，它將彙集來自物理、電氣工程和材料科學等多個學科的專家。其中一部分資金將用於同一地點建設中科大新校區，培養量子研究人員。潘建偉説：“我們正在努力培養量子技術的後備軍。”
潘建偉已經在中科大建立了量子物理與量子信息研究部。2018年6月，該中心的團隊宣佈他們將18個量子比特糾纏在一起，創造了世界紀錄。正因為這樣的突破，量子計算機距離在某些任務上超越最強大的傳統超級計算機又近了一步。
他們也制定了雄心勃勃的太空計劃。潘建偉説，未來四到五年內，中國將先後發射四個低軌道量子衞星，不久之後還會發射與地球運轉同步的高軌道衞星。他們的長期願景是建設洲際覆蓋的量子安全互聯網，取代現有的互聯網。展望更遠的未來，從智能手機到筆記本電腦都可能採用量子加密技術保證安全。
潘建偉站在用於傳輸超安全信號的接收器前
領先與落後
那麼，中國是否會主導新興的量子時代呢？如果是的話，中國將如何利用這種優勢呢?
第一個問題的答案很微妙。儘管墨子號和地面量子密鑰分發網絡意味着中國在量子安全通信方面具備優勢，但中國在量子計算方面仍落後於美國。然而，潘建偉團隊成功實現量子比特糾纏，説明中國在這個領域正在迅速進步。阿里巴巴和百度等中國大型科技公司也在大規模投資量子計算。阿里巴巴推出了一項雲計算服務，使公眾得以在量子處理器上運行量子線路代碼，這與IBM和Rigetti等美國公司的類似努力十分相似。
麻省理工學院教授、量子計算先驅Isaac Chuang指出，中國之所以能在量子科學領域取得如此成就，原因在於其政府研究團隊、中科院和中國高校之間有緊密合作。歐洲現在已經制定了量子總體規劃，以促進類似的合作，但美國在制定全面的技術和人才戰略方面進展遲緩。
無論歐美下一步怎麼走，中國都將繼續前進。潘建偉十分重視量子技術的商業機遇，許多企業已經在使用量子保密通信的“京滬幹線”，來保障信息傳輸的安全。他認為未來有一天，各大洲的數據中心將通過他計劃建設的量子衞星網連接起來。
當然，這些衞星也可以用於軍事目的。華盛頓智庫“新美國安全中心”的艾爾莎•卡尼亞表示，中國軍隊在資助量子通信、量子傳感器和量子雷達的研究。製造軍艦和潛艇的中船重工和許多其他大公司都在量子項目上與高校展開合作。如果中國認為量子技術可以帶來軍事優勢，它可能退出該領域的國際合作，把創新成果留在國內。
比較樂觀的看法是，中國將堅持其成為量子超級大國的成功道路，繼續對學術交流保持開放，並盡最大努力從新的量子數字經濟中獲謀取利益。意識到中國可能在量子領域取得領先，中國最高領導層備受鼓舞，公開表示量子科學開啓了新的工業革命。
無論未來中國量子科學朝哪個方向發展，“量子之父”潘建偉都是中國走向成功的關鍵。
（觀察者網李嘉東譯自《麻省理工學院科技評論》）
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