马丁·贾尔斯：他使中国成为量子超级大国-马丁·贾尔斯、潘建伟
2017年9月29日，一场令黑客无法破解的视频会议在北京和远隔万里的维也纳之间展开，其幕后功臣是中国的“墨子号”卫星。在“墨子号”以2.9万公里时速划过夜空的同时，它将小小的数据包传送到距离北京几小时车程的兴隆观测站。不到一小时后，卫星飞越奥地利上空，将另一个数据包发送到该国格拉茨市附近的一个站点。
这两个数据包是保护数据传输的密钥。这件事的非同寻常之处在于，由“墨子号”分发的密钥是以处于脆弱量子态的光子编码而成的。任何拦截它的尝试都会破坏这个状态，导致信息销毁并发出黑客警报。这意味着量子密钥比以传统的比特（bit）形式——即以光电脉冲输出可读取、可复制的二进制数字信号——发送的密钥安全得多。
尽管视频的加密手段还是传统的而非量子加密，但由于解密需要用到量子密钥，它的安全性得到了保证。这使得它成为世界第一个洲际传输的量子加密视频链接。
中国取得这一成就的幕后功臣叫潘建伟，中国科技大学教授，这所学校被有的西方媒体比作“中国的加州理工学院”。在取得一系列突破之后，现年48岁的潘建伟成为了中国的科学明星。他的工作受到国家主席习近平的赞扬，并被许多中国媒体称为“量子之父”。
尽管量子通信和量子计算目前仍处于萌芽阶段，但它们仍然是中国政府希望在2030年前取得突破的“重大项目”。中国认为量子时代的黎明即将来临，希望像当年美国主导计算机时代和信息革命那样引领未来。
而潘建伟，这位中国科学院有史以来最年轻的院士，正是中国量子事业的核心。
在接受《麻省理工学院科技评论》采访时，潘建伟谈到了国际合作的重要性，但他也明确表示，中国面临独特的窗口期，将对技术领域下一个元转移产生重大影响：“在现代信息科学诞生之初，我们只是追随者和学习者，”他说，“现在我们有机会成为引领者。”
潘建伟的雄心包括通过覆盖全球的卫星搭建超安全的量子互联网。此外，他还计划在量子计算机领域帮助中国赶超美国。这些机器的基本计算单位是量子比特，与普通比特不同，量子比特可以同时处于1和0的量子态。通过一种近乎神秘的“量子纠缠”现象把量子比特联系起来，量子计算机的处理能力可以获得指数级的提升。
在未来，量子计算机可以通过模拟化学反应来发现新材料和药物，这样的工作量不是传统计算机能够承受的。它还可以被用于迅速提升人工智能水平。采取量子密钥分发的安全网络可以用于传输金融交易等敏感数据，并为军事行动和通信提供最高保密。研究人员还在研究量子传感器和量子雷达，前者可以让潜艇在不依赖卫星信号的情况下航行，后者可能拥有发现“隐形”飞机的能力。
接收器发出定位激光帮助“墨子号”卫星与地面建立联系
协同努力
尽管中美在量子技术领域竞争激烈，但“墨子号”卫星实现的视频通话，在很大程度上是国际合作的结果。
它是潘建伟的团队和奥地利科学院量子物理学家安东•泽林格的团队合作的成果。上世纪90年代，泽林格是潘建伟的博导，他看到了这名年轻中国学生的潜力。“他来这里时，百分之百地专注于理论物理，”泽林格回忆道，“但我意识到他能取得更大的成就，所以我建议他转向实验，他做得非常成功。”
潘建伟2011年向泽林格提出在洲际量子密钥分发领域展开合作，令他曾经的老师感到十分高兴。潘建伟团队已经进行了多年的实验来证明天基系统（space-based system）是可行的，并获得了中国政府关于建造专用卫星的批准，该卫星于2016年发射。
在地面上实现量子密钥分发已经很困难了，通过卫星实现这一目标意味着许多额外问题需要解决，比方如何实现卫星传输信号与地面接受站的精准对齐，以及如何尽量减少光子在大气中丢失的数量。多伦多大学物理学教授Hoi-Kwong Lo表示，观察人士对此刮目相看。他补充道：“中国向量子领域投入大量资源，这意味着他们可以做其他国家做不到的事情。”
中国的其他成就包括建立世界最长的地面量子密钥分发网络。潘建伟也设计了北京和上海之间长达2032公里的地面连接，量子密钥可以在两个基站之间传递，为金融和其他敏感数据的传输提供了超安全的网络，部分中国城市也在建设基于此技术的市级网络。
由于政府项目的经费不透明，因此很难准确衡量中国在量子项目上的投资规模。但潘建伟说，中国未来国家级量子项目的资金规模至少将与欧洲持平。欧洲最近的量子技术旗舰项目是个10年10亿欧元的大型计划。
尽管资金很重要，但中国的成功不仅在于为卫星和其他项目提供资金。中国还得益于数十年如一日的人才战略，把年轻的研究人员送到国外，向泽林格这样的专家学习，然后吸引他们回国继续工作。
中国在量子科学领域发表了许多高质量论文，在量子通信和量子加密学等方向的专利数量也在飙升，远远超过了在美国和其他国家的注册专利数量。
为了培养未来的量子研究人员，中国投资10亿美元在合肥建设国家量子信息科学实验室，该实验室将于2020年开放，它将汇集来自物理、电气工程和材料科学等多个学科的专家。其中一部分资金将用于同一地点建设中科大新校区，培养量子研究人员。潘建伟说：“我们正在努力培养量子技术的后备军。”
潘建伟已经在中科大建立了量子物理与量子信息研究部。2018年6月，该中心的团队宣布他们将18个量子比特纠缠在一起，创造了世界纪录。正因为这样的突破，量子计算机距离在某些任务上超越最强大的传统超级计算机又近了一步。
他们也制定了雄心勃勃的太空计划。潘建伟说，未来四到五年内，中国将先后发射四个低轨道量子卫星，不久之后还会发射与地球运转同步的高轨道卫星。他们的长期愿景是建设洲际覆盖的量子安全互联网，取代现有的互联网。展望更远的未来，从智能手机到笔记本电脑都可能采用量子加密技术保证安全。
潘建伟站在用于传输超安全信号的接收器前
领先与落后
那么，中国是否会主导新兴的量子时代呢？如果是的话，中国将如何利用这种优势呢?
第一个问题的答案很微妙。尽管墨子号和地面量子密钥分发网络意味着中国在量子安全通信方面具备优势，但中国在量子计算方面仍落后于美国。然而，潘建伟团队成功实现量子比特纠缠，说明中国在这个领域正在迅速进步。阿里巴巴和百度等中国大型科技公司也在大规模投资量子计算。阿里巴巴推出了一项云计算服务，使公众得以在量子处理器上运行量子线路代码，这与IBM和Rigetti等美国公司的类似努力十分相似。
麻省理工学院教授、量子计算先驱Isaac Chuang指出，中国之所以能在量子科学领域取得如此成就，原因在于其政府研究团队、中科院和中国高校之间有紧密合作。欧洲现在已经制定了量子总体规划，以促进类似的合作，但美国在制定全面的技术和人才战略方面进展迟缓。
无论欧美下一步怎么走，中国都将继续前进。潘建伟十分重视量子技术的商业机遇，许多企业已经在使用量子保密通信的“京沪干线”，来保障信息传输的安全。他认为未来有一天，各大洲的数据中心将通过他计划建设的量子卫星网连接起来。
当然，这些卫星也可以用于军事目的。华盛顿智库“新美国安全中心”的艾尔莎•卡尼亚表示，中国军队在资助量子通信、量子传感器和量子雷达的研究。制造军舰和潜艇的中船重工和许多其他大公司都在量子项目上与高校展开合作。如果中国认为量子技术可以带来军事优势，它可能退出该领域的国际合作，把创新成果留在国内。
比较乐观的看法是，中国将坚持其成为量子超级大国的成功道路，继续对学术交流保持开放，并尽最大努力从新的量子数字经济中获谋取利益。意识到中国可能在量子领域取得领先，中国最高领导层备受鼓舞，公开表示量子科学开启了新的工业革命。
无论未来中国量子科学朝哪个方向发展，“量子之父”潘建伟都是中国走向成功的关键。
（观察者网李嘉东译自《麻省理工学院科技评论》）
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