去年年底一個晴朗的夜晚，在中緬邊境附近某處，地平線上出現(xiàn)一個綠點。“就好像一顆明亮的綠色恒星。”中國科技大學(xué)物理學(xué)教授陸朝陽在麗江郊區(qū)的一個觀測站，目睹了這一景象。
他和同事們必須眼疾手快。這個綠點其實是一道激光，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，播送著衛(wèi)星的位置。激光將劃過夜空，用不了十分鐘，就會消失在地平線下。于是，團隊（成員來自中國的多家科研機構(gòu)）用望遠鏡鎖定激光，搜尋他們真正的獵物：一個個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。在過濾掉綠光后，他們盯住了自己的獵物——一種從未被發(fā)送過的量子信號。
這是一場意義深遠的實驗，目的是測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，否則信號就會受損。想要在全國或全球范圍內(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)星遠距離播送量子粒子。在此次實驗中，人造衛(wèi)星在兩個相距1200多公里的地面站之間連續(xù)發(fā)送單光子信息，創(chuàng)下紀錄。“在量子通信網(wǎng)絡(luò)的拓展方面，這無疑是一個里程碑。”巴黎量子計算中心（Paris Center for Quantum Computing）副總監(jiān)海倫·戴蒙德（Eleni Diamanti）說，他并未參與該實驗。
去年8月，中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了這枚造價高達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，也叫做糾纏光子。該晶體一次能產(chǎn)生600對光子對，但在地面上，兩個地面站每秒只能探測到大約一對。“這是一項艱巨的任務(wù)。”陸朝陽說，“就好像要在300米開外看清一根頭發(fā)。”
陸朝陽等研究人員認為，量子加密學(xué)也許是加密工具的未來。在執(zhí)行正確的情況下，其傳輸協(xié)議如下：先檢測光子的特性，生成一個由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，竊取行為會立刻改變構(gòu)成密鑰的光子，也就是說，從理論上講，物理定律注定了竊取行為不可能成功。（但實際操作中，硬件不可能盡善盡美：現(xiàn)有的探測器還無法很精準地接收單一光子，可能會受到外部環(huán)境干擾 。）
此次發(fā)射——以及實驗本身——都醞釀已久。
碩士期間的陸朝陽（左一）在潘建偉教授（左三）指導(dǎo)下研究量子計算
中國科技大學(xué)的潘建偉是領(lǐng)導(dǎo)該項目的物理學(xué)家，早在2003年，他就提出了這一人造衛(wèi)星實驗的設(shè)想。他的團隊約有100名成員，大家花了多年時間，精心設(shè)計、構(gòu)建和調(diào)試這套激光與衛(wèi)星系統(tǒng)。他們先是進行地面實驗：在幾公里距離內(nèi)測試密鑰傳輸，隨后逐漸拉長距離。
但相對于同領(lǐng)域的其他研究團隊，他們的進展是相當生猛的，加拿大滑鐵盧大學(xué)物理學(xué)家托馬斯·詹寧威（Thomas Jennewein）說。最近，他成功地將一個量子密鑰從地面發(fā)送到了正在飛行的飛機上。多年前，詹寧威曾多次提出過開展量子加密通訊實驗的設(shè)想，想要在國際空間站上進行類似實驗。“由于復(fù)雜性和成本等種種原因，那些項目都停留在研究階段。”他說，“但中國團隊說干就干，而且真的做到了。很了不起。”
中國在這個領(lǐng)域的進展之所以如此之快，是因為政府高層對這類技術(shù)十分重視，昆山杜克大學(xué)的丹尼斯·西蒙（Denis Simon）說，他是中國科學(xué)政策方面的專家。他說，因為得到了高層的首肯，所以省去了繁瑣的經(jīng)費申請流程。政府對這種技術(shù)感興趣，是想借助量子保密通信，服務(wù)國家利益。
與此同時，其他國家的研究人員也在嘗試類似的實驗——只不過面臨更多繁瑣的手續(xù)。
戴蒙德的團隊向歐洲空間局遞交了一項提議，想以國際空間站為發(fā)射點，向歐洲的多個地面站點發(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)。美國也在進行類似的實驗，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。實驗將在國際空間站上進行，美國宇航局（NASA）也參與其中。
但沒有一個國家像中國這樣充滿雄心。陸朝陽說，他的研究小組還計劃用一顆新的衛(wèi)星進行同樣的實驗，該衛(wèi)星所處軌道更高，能在相距更遠的城市間發(fā)送量子密鑰。他們想聯(lián)手奧地利的協(xié)作者，在兩國之間交換量子密鑰。潘建偉說，到2030年通訊，中國將發(fā)射一批這樣的衛(wèi)星，建立起一個覆蓋全球的網(wǎng)絡(luò)。“我們很幸運，能得益于一個高效的決策體制。”陸朝陽說。
當政治與科學(xué)的利益不謀而合時，其力量是無與倫比的。
翻譯：雁行
