新物种 进化论③｜遇事不决，量子力学 走近量子通信世界背后的“科学矿工”

物种百科：

新物种：量子通信

诞生时间：1993年

定义：量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。

量子理论研究者很早就发现了开启未来通讯的钥匙——量子纠缠
这种理论上可行的通讯方式，激起了科学家们的雄心壮志
依托于这一理论
科学家正试图建立起比现有网络更快更安全的量子网络
一旦建成，它将实现信息传输过程中的绝对保密
量子信息技术发展，量子网络的构建需要哪些基础研究？
神秘的量子信息研究实验室中究竟有什么？
本期封面新闻记者，带你一起走进中科院量子信息重点实验室
探访正在孕育中的“全新物种”

封面新闻记者 陈彦霏 忻晓松

刚刚过去的2019年年底，英国和丹麦科学家发布的一则论文引起举世关注。他们宣布首次实现了通过量子通讯技术，实现两个计算机芯片之间的信息“瞬间传输”。此举再次把“量子通信”带到人们眼前。

作为量子世界最密切相关的一部分，“量子通信”技术在我国发展迅速。

位于安徽合肥的中国科学院量子信息重点实验室，就是我国量子通信和量子计算的重点研究机构之一。

2019年12月11日，在24岁的中国科学技术大学博士生杨木带领下，封面新闻记者套上鞋套，穿上洁净服，再经过风淋室，我们就进入了神秘的量子世界。

    中科院量子信息重点实验室

在这个超净的实验室中，温度、湿度、洁净度都被严格控制，外界环境光更是被阻挡在外。整个实验室漆黑一片，唯一亮着的，只有各种仪器闪烁的指示灯，以及若隐若现的激光光束。

中国年轻的科学家们正在这个黑暗的世界中，探寻着未来通信之光。

正如杨木所说，当量子通信这一“新物种”，由理论进化为现实，那么必将给世界带来惊天巨变。

科学矿工

在黑暗世界中 寻找未来之光

杨木站在仅容一人的实验室过道上，周围都是一些高精度的实验仪器和他们自主搭建的装置，他带我们来到他所做实验的器材旁，这是一个名为双光子量子纠缠源的系统，由激光发射器和多个精巧的光学元件组成。 “我们的研究主要基于自由空间光，需要预留大量空间使得光束可以很好地传播，所以现在实验室会显得很狭窄。”杨木说。

对初到的人，狭窄的过道和漆黑的环境，难免让人感到压抑。、但对杨木和他的同学来说，这里却是让他们沉浸探索科学奥妙的地方。“实验室很黑，一开始还是适应不了，但等自己真正沉浸到探索量子世界规则时，我现在还会嫌不够黑，觉得光在里面会影响我的结果。”杨木说着，伸手打开了头灯，向我们展示他搭建的实验系统，“一般看不清东西时，我们就拿这个照一下，就有点像一个挖矿的。”杨木开玩笑道。

实际上，杨木所从事的工作也类似一个“科学矿工”，只不过他们探索的并不是宏观世界中的各种矿物质，而是微观世界中的“量子态”，确定一种“量子态”就像确定一种“矿物种类”。

    杨木在实验室

他们通过实验设计，通过只输入量子态的部分信息，利用神经网络、支持向量机以及决策树等机器学习模型，成功实现了多重非经典关联分类器，这能以大于90%的高匹配度同时识别量子纠缠、量子导引和贝尔非定域性等不同的量子关联属性，并且在资源消耗和时间复杂度上都远小于传统判据所依赖的量子态层析方法。

快速识别各种不同的量子关联，在推进量子通讯等领域发展中扮演着重要角色。这相当于用一种更高效的技术手段去识别各个“矿物”的种类，不断去发现和确定新的“矿物”种类，从而为人们今后利用这些微观世界的“矿物”铺平了道路。

基础研究

一旦产生影响 改变惊天动地

“这些仪器和元件都是我们一个个摆放上去的，位置偏了零点零几毫米整个实验可能就失败。”杨木说。虽然所有器材只铺了一张书桌大小，杨木却足足花了近半年才完成摆放和优化。

在一次实验中，杨木只监测到其中一路光子，另一路只有一半。后来他才发现是光过反射镜的时候擦到了镜子的边缘，损失了一半的光子。“光斑只有几毫米，镜子偏移可能只有0.01毫米，就影响了整个实验结果。”杨木说。

日复一日的实验生活一直持续了两年多，无论是仪器的微小偏移或是编程上一个字符的变动，都可能造成整个实验的失败，杨木只有在不断失败中调整优化。最忙的时候，杨木要连续测十多个小时数据，一直从下午4点测到第二天8、9点，晨昏颠倒，因为数据精度要求非常高，杨木需要一直守在电脑旁。

    杨木在实验室

“比起工程师做的事情，我更想去做一个探险家。”杨木坦言，大三分流时候他也曾面临“纠结”。当时人工智能也很火，他也曾考虑去做计算机，希望去做一个很赚钱的畅销产品。后来他认为不能以是否赚钱为标准，“总得有一批人去做基础研究吧。”杨木说。

之所以会选择“冒险”，“梦想”对杨木来说也不可或缺。“小学二年级老师问你想做什么，大家梦想都是想当一个科学家，我只是比别人坚持得更久一些。”杨木说。

通过近3年的努力，杨木和他所在的团队首次实验实现了基于机器学习算法的多重非经典关联的同时分类。2019年11月6日，他们的成果发表于国际物理学权威期刊《物理评论快报》上。

    杨木的论文发表在《物理评论快报》上

做基础研究，并不能对人们生活产生很快很直接的影响，但杨木认为：“一旦有影响，一定是惊天动地的。”杨木所说“惊天动地的影响”是指将“量子信息”真正应用到人们生活的“量子通信”和“量子网络”，这也是他们实验室努力的目标。

量子革命

计算机和通讯技术 都将彻底革新

20世纪初，因为经典理论无法解释微观系统运行，量子力学理论被提出，并不断获得实验支持，催生了激光、晶体管等一系列改变世界面貌的发明，被称为“第一次量子革命”。

“现在我们经历的是第二次量子革命，即量子信息技术。”中科大教授、中科院量子信息重点实验室常务副主任李传锋说。

据了解，第一次量子革命只是基于量子力学的原理开发出新型的经典器件。第二次量子革命则是直接开发基于量子特性本身的量子器件，这些器件遵从量子力学规律，它以量子态（量子比特）为单元，信息的产生、传输、存储、处理、操控等全都基于量子力学规律，从而使其信息功能远远超越相应的经典器件。

“科学技术有两个使命，一个使命是改变人们观念，另一个使命是改变人们生活。”李传锋认为，量子信息研究的发展，最重要的是对人们观念上的更新。

“主要量子信息中非局域的观念。”李传锋对此这样解释，量子信息告诉我们这一件事可能处于两个点，比如一对纠缠的光子，要看成一个整体，不能单独看。现在很多科学家就用这种观念去看待以前各个体系的问题，会得到一些更深刻的理解。

据了解，李传锋带领实验室的总体目标是做一个量子网络，从而能大大提高信息传输的效率和安全性。这量子信息技术将被应用在网络通信的方方面面，“如果我们将来有量子计算机和量子通信的成熟技术，我们就可以把现在整个网络升级下。”李传锋说。

量子通信“进化”

时间线

1993年

C.H.Bennett提出了量子通信的概念;同年，6位来自不同国家的科学家，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案。

01

02

2003年

中国科技大学在校园内铺设了3.2km的量子通信系统。

2012年

中国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础。

03

04

2016年8月16日

中国发射全世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。

2017年9月29日

世界首条量子保密通信干线“京沪干线”正式开通。当日结合京沪干线与“墨子号”量子卫星，成功实现人类首次洲际距离且天地链路的量子保密通信。

05

06

2019年1月

中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟、教授包小辉等人成功地利用多光子干涉将分离的3个冷原子量子存储器纠缠起来，为构建多节点、远距离的量子网络奠定了基础。

2019年12月

英国布里斯托大学和丹麦技术大学的专家首次实现两个计算机芯片之间的信息“瞬间传输”。

07

小知识

量子纠缠

量子纠缠指两个粒子的状态如果在制备时是关联的，那么它们永远是关联的，不管时间多久，距离多远。