潘建伟团队再突破：下一代量子通信卫星不再怕光

1. 潘建伟团队再突破：下一代量子通信卫星不再怕光

（原标题：潘建伟团队再突破：下一代量子通信卫星不再怕光，能白天上岗）
升空数月内，“墨子号”量子科学实验卫星就已完成了世界首次星地量子通信实验。不过，要真正实现实用化的覆盖全球的量子通信网络，仅靠单颗“墨子号”还不够，科学家们还要解决一些重要的问题：比如解决“墨子号”怕光问题、构建卫星星座网络，扩展通信时间等。。

中国科学技术大学潘建伟院士。 上海观察 图
“墨子号”十分“怕光”，目前的量子通信实验，都是在晴朗的夜晚中完成的。从三个方面发展关键技术，中国科学技术大学潘建伟团队在青海湖实现了白天远距离（53公里）自由空间里的量子密钥分发，令下一代量子通信卫星有望克服“怕光”的弱点，实现白天上岗。
相关论文发表在7月24日的英国《自然·光子学》期刊（Nature Photonics）上。
论文的第一作者、中科大副研究员廖胜凯告诉澎湃新闻（www.thepaper.cn），在设计“墨子号”的时候，他们就知道了“墨子号”无法白天工作。现在，“墨子号”大约有68%的时间暴露在阳光下，也就是说，只有不到一半的时间能够工作。而轨道越高的卫星如在地球同步轨道的通信卫星，能“躲”在地球阴影里的时间不到1%。
因此，攻克白天远距离自由空间里的量子密钥分发，给有效扩展量子卫星的通信时间，提高实用性，进一步为搭建覆盖全球的量子通信星座打下了坚实的基础。
三方面突破，解决“怕光”问题
那么，“墨子号”到底为什么“怕光”呢？这是因为，白天阳光造成的噪声，比夜晚要高5个数量级。而基于量子不可克隆原理，量子通信信号无法像普通的通信信号一样放大。因而，保持足够高的信噪比，是白天量子通信要攻克的核心问题，廖胜凯介绍道。
另一方面，在星地这样的远距离中，通信链路损耗较大，典型值大于40dB（dB是描述损耗倍数的单位，40dB和20bB差了两个数量级）。此前的白天量子密钥分发实验，最多只能在链路损耗约为20dB的状态下成码。
为了解决信噪比的问题，潘建伟团队从三个方面实现突破。首先，选择最合适波段的光子。阳光背景噪声主要包括太阳光直射部分和经大气分子散射部分，这其中，波长为1550nm的成分较低，大气散射对该波段散射也较小。团队用这个波段的光子，代替了之前的700-900nm波段，并优化了光学系统，将噪声降低超过一个数量级。
其次，团队在探测器方面，利用频率上转换单光子探测技术，在保持单光子高效探测的同时，实现了光谱窄带滤波，降低噪声约两个数量级。
最后，团队发展自由空间光束单模光纤耦合技术。这是自由空间光通信的关键技术之一，能使自由空间光束的能量能最大限度地耦合到接收单模光纤中区。不过，以往实验中的耦合效率极低，难以满足量子通信的需要。这次，团队兼顾高效耦合和空间维度的窄视场滤波，降低噪声约两个数量级。
综合这三项技术，潘建伟团队在青海湖相距53公里的两点间完成了白天阳光背景下的量子密钥分发实验，在全链路衰减48dB（大于星地、星间链路衰减）情况下，误码率保持在1.65%左右，安全密钥成码率达到150bps。
通向量子通信星座的必经一步
目前，“墨子号”位于500公里高的近地轨道上，运行速度较快，而且受阳光、阴雨天气条件的限制，至少需要三天才能完成全球站点覆盖。廖胜凯介绍道，为了搭建全球量子通信网络，必须发射更多低轨或高轨的量子通信卫星，组建星座，尽可能实现在地球上的任意地点，只要天气条件合适，即可实践量子通信。
随着星座中卫星轨道升高，对地面覆盖范围增加，同时卫星被太阳光照射的概率增大，如轨道高度36000km的地球同步轨道卫星被太阳光照射的概率达99.4%。可以说，实现白天自由空间远距离的量子密钥分发，证实了阳光下星地、星间量子通信的可行性，是通向量子通信星座的必经一步。
文章转载于澎湃新闻

2. 我国量子技术领跑全球，潘建伟团队再曝好消息：破解世界级难题

3. 潘建伟及其团队研发了什么量子技术

中国科学技术大学潘建伟院士团队近日成功研制出全球超导量子比特数量最多的量子计算原型机 “祖冲之号”，宣告全球最大量子比特数的超导量子体系的诞生。

量子计算机原型机发布后，我国首个可操纵的超导量子计算机体系“祖冲之号”问世。该成果将为促进中国在超导量子系统上实现量子优越性奠定了技术基础，也为后续具有重大实用价值的通用量子计算的研发提供支持。中国科学技术大学潘建伟院士团队近日成功研制出全球超导量子比特数量最多的量子计算原型机 “祖冲之号”，宣告全球最大量子比特数的超导量子体系的诞生。这篇名为《在可编程二维62比特量子处理器上的量子行走》的论文5月7日发表在《科学》杂志。

量子计算机是全球科技前沿的重大挑战之一，也是世界各国角逐的焦点。超导量子计算已成为最具希望的候选者之一，它的核心目标是增加 “可操纵” 的量子比特数量，通过提升操纵精度来实现落地应用。祖冲之号” 可操纵的超导量子比特多达62个，而此前谷歌实现 “量子优越” 的“悬铃木”53个量子比特。研究团队在大尺度晶格上首次实现了量子行走的实验观测，并实现对量子行走构型的精准调控，构建了可编程的双粒子量子行走。

4. 潘建伟及其团队研发了什么量子技术

潘建伟及其团队研发了量子计算机技术。
1、科研综述
2022年8月，中国科学技术大学潘建伟及其同事包小辉、张强等，将长寿命冷原子量子存储技术与量子频率转换技术相结合，采用现场光纤在相距直线距离12.5公里的独立量子存储节点间建立纠缠。

2022年，中国科学技术大学潘建伟团队与上海技物所、新疆天文台等单位合作，在国际上首次实现了百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验时间传递稳定度达到飞秒（千万亿分之一秒）量级，可满足目前最高精度光钟的时间传递要求。

2、学术论著
根据2022年7月中国科学技术大学官网显示，潘建伟在《Nature》《Science》《PNAS》和《Physical Review Letters》等重要国际学术期刊上发表论文180余篇，并受国际权威综述期刊《Reviews of Modern Physics》邀请先后撰写关于多光子纠缠实验和现实条件下量子通信安全性的综述论文。
3、成果奖励
根据2022年7月中国科学技术大学官网显示，潘建伟曾获国家自然科学一等奖等奖项。

5. 最近关于潘建伟及量子通信的消息怎么变少了？

前段时间很火的量子通信最近怎么无声无息了？

6. 潘建伟在量子通信领域取得的巨大成就对人类有怎样的影响？

潘建伟院士在量子通讯领域取得了一个有一个举世瞩目的成就，被一些网友冠之为“量子力学之父”，那么他有可能在近期获得诺贝尔奖吗？这是不少网友关心的问题，现在我们就来讨论一下这个可能性。

潘建伟院士如果一直从事的是目前这类研究课题，他永远也得不到诺贝尔奖。因为这类研究不是诺贝尔奖的鼓励对象。
在物理学领域，诺贝尔奖的主要表彰对象是在基础发现和理论方面的科学家。

而潘建伟院士所从事的是应用技术科学，就是在别人发现和研究的基础理论上，进一步延伸这些理论的实用价值。比如其现在研究的量子通讯加密技术、量子纠缠、量子分发、量子隐形传输等方面的应用，都是在已有量子力学理论基础上进行的。
基础理论与应用技术都属于科学的范畴，但又是两个不同阶段的部分，一个是上游，一个是中下游。就像一条大河，没有上游的水源，就没有中下游的流域；而没有中下游的流域，上游的水源就无法到达更宽广的地域造福人类。

理论上，基础科学和应用科学都非常重要，都是不可或缺的，但如果一定要分出个高低来说，基础科学就更显珍贵。
因为这是一个开创性的工作，是一个从无到有的发现，是启迪人类新的思路创造之源。没有这个开端引路，就没有后来的开发和发展。
刘慈欣《三体》科幻小说描述的就是人类基础科学发展被三体人锁死，使得很多科学家丧失了希望而自杀。这虽是科幻，但也从一个侧边反映了基础发现的无比重要性

7. 潘建伟教授用什么量子科学?

墨子号。
墨子号量子科学实验卫星（简称墨子号），于2016年8月16日1时40分，在酒泉用长征二号丁运载火箭成功发射升空。此次发射任务的圆满成功，标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。
中国量子卫星首席科学家潘建伟院士介绍，如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的“网”，那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。当这张纵横寰宇的量子通信“天地网”织就，海量信息将在其中来去如影，并且“无条件”安全。
2017年1月18日，中国发射的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”圆满完成了4个月的在轨测试任务，正式交付用户单位使用。中国科学技术大学、中科院等单位相关领导在交付使用证书上签字。
2019年1月31日，被授予2018年度克利夫兰奖。中国研究人员2019年2月14日在美国华盛顿说，“墨子号”量子科学实验卫星预计将超出预期寿命、继续工作至少2年以上，并展开更多国际合作。



2001年，31岁的潘建伟从欧洲回国，在中科大组建了量子信息实验室。2003年，当大多数人仍致力于在实验室内部的原理性演示时，潘建伟和同事们已经萌生了“天地一体化”量子通信网的初步构想，“量子科学实验卫星”正是这个构想中的关键节点。
“工欲善其事，必先利其器”。围绕这一远景目标，潘建伟团队开始了十余年的技术积累。他带领团队在自由空间量子密钥分发、量子纠缠分发和量子隐形传态实验等方面不断取得国际领先的突破性成果。
2005年，潘建伟团队在世界上第一次实现13公里自由空间量子通信实验，证实光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而验证了星地量子通信的可行性。

8. 潘建伟：与量子纠缠的人生

“上帝是否掷骰子”，这个困扰过爱因斯坦的量子物理核心奥秘同样让潘建伟常常凝神思索，在他眉宇间刻出两道深深的沟痕。
  
 从潘建伟第一次认识到量子世界的诡谲离奇到沉迷其中不可自拔已过去20多年。为何会有量子叠加、量子纠缠这些奇异的现象尚无答案，他却一直致力于利用奇异的量子特性来制造不可破译的密码，发展保密通信，研制强大的量子计算机……
  
 世界首颗量子卫星“墨子号”从太空建立了迄今最遥远的量子纠缠，证明在1200多公里的尺度上，爱因斯坦都感到匪夷所思的“遥远地点间的诡异互动”依然存在。作为量子卫星首席科学家的潘建伟还有更大的目标——在地月间建立30万公里的量子纠缠，检验量子物理的理论基础，并 探索 引力与时空的结构。
  
 在很多人眼里，潘建伟是传奇：29岁，他参与的有关量子隐形传态的研究成果，同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起，被《自然》评为“百年物理学21篇经典论文”；31岁，任中国科学技术大学教授；41岁，成为中国当时最年轻院士；45岁，获国家自然科学一等奖……
    
 缘起痴迷
  
 潘建伟1970年3月生于浙江东阳，自小成绩优秀。父母从不限制他，由他做感兴趣的事。1987年，他考入中国科学技术大学近代物理系。他对大学生活最深的印象是，同学间比着早起晚睡学习，拼命喝茶熬夜读书。
    
 他的大学同学，如今是暗物质卫星科学应用系统总师的伍健回忆，潘建伟是个很有意思的人。他给潘建伟剃过头发，有点像马桶盖，但是潘并不生气。除了学习，潘建伟也很会享受生活，有次和同学跑到水库摸了一脸盆螺蛳回来，在宿舍煮着吃。
  
 1990年潘建伟第一次接触量子力学。那时他经典力学、电动力学、统计力学都学得很好，却完全搞不明白量子力学，有次期中考试量子力学差点没及格。
  
 “双缝实验中，人没有‘看’电子时，就不能说它是从哪条缝过去的，这实在太奇怪了，这不对啊。一个人要么在上海要么在北京，怎么会同时既在上海又在北京呢？”量子世界的奇怪与陌生让潘建伟陷入这样的苦思。
  
 现在回看，潘建伟认为这是最好的现象，“量子力学的创始人之一玻尔说，如果学了量子力学后，你不觉得奇怪，不觉得不可思议，不犯糊涂的话，那你根本就没学懂。”
  
 量子世界越古怪，潘建伟越想搞明白。于是，他选择与量子“纠缠”下去。
  
 他认识到，物理学终究是门实验科学，再奇妙的理论若得不到实验检验，无异纸上谈兵。然而，上世纪90年代中国缺乏开展量子实验的条件。1996年硕士毕业后，潘建伟赴量子科研的重镇——奥地利因斯布鲁克大学攻读博士学位，师从量子实验研究的世界级大师塞林格。
  
 一个理论物理专业的硕士，想要很快进入实验量子物理前沿，其中困难可想而知。为尽快掌握要领，潘建伟几乎整天泡在实验室里。
    
 在老师眼里，当实验中出现问题，潘建伟从不退缩，把困难当做更上层楼的激励，大家总是听他说“情况很好”，这个非常乐观的人，总能找到解决问题的办法，大家都喜欢他。
  
 量子卫星与阿里站建立链路。（中科院提供）
  
 “毫无疑问，他现在是世界上这个领域最好的科学家，我非常为他骄傲。”塞林格说，“我也很鼓励他回国发展，这里有很好的机会。中国在量子通信领域已步入世界先进行列，这里有很大一部分是潘建伟努力的结果。”
  
 做盘“量子好菜”
  
 潘建伟掌握了先进的量子技术后，迫切地希望中国在信息技术领域抓住这次赶超发达国家并掌握主动权的机会。
  
 1997年起，他每年假期回到科大讲学，为中国在量子信息领域的发展提出建议，带动研究人员进入该领域。2001年，他获得中科院、国家自然科学基金委资助，在科大组建了量子物理与量子信息实验室。
  
 量子信息研究集多学科于一体，要想突破，须拥有不同学科背景的人才。有一手好厨艺的潘建伟知道，做盘好菜，需要各种各样的好原料。
  
 潘建伟将不同学科背景的年轻人送出国门，到德国、英国、美国、瑞士、奥地利等国学习锻炼。就这样，他的团队掌握了国际上最好的冷原子技术，最好的精密测量技术，最好的多光子纠缠操纵技术……
  
 近年，潘建伟团队已在《自然》《科学》《物理评论快报》等国际重要学术刊物上发表论文约200篇，被广泛引用。
  
 科学带来内心安宁
  
 实验中难免有让人灰心丧气的时候。但潘建伟说，做自己喜欢的事需要耐心，欲速则不达。“我愿意循序渐进地学习、工作。成功了，当然很高兴；不成功，也不觉得失落，就再来一次。关键是享受这个过程带来的乐趣。”
    
 “追求量子物理的奥妙，能让人获得内心的从容和安宁，如同阳光灿烂的春天，走在青草地上般心情愉快。”他说。
  
 潘建伟是爱因斯坦的崇拜者，大学时就喜读《爱因斯坦文集》，“爱因斯坦的散文是最深刻、最美的，对于我，那就是天籁之音。”
  
 “研究量子物理对我的性格、思想产生了影响。在牛顿力学里面，0和1，黑或白，要么绝对正确，要么绝对错误。但量子力学告诉我们，对错、好坏是很难界定的，这时人就变得包容。”
  
 潘建伟在繁忙工作中参加了很多科普活动，还创办了以科普为目的的墨子沙龙。他说：“建设创新型国家，必须培养公众的科学兴趣，提升公众科学素养，否则就不可能建成真正创新的国家。”
  
 摘取物理“皇冠上的明珠”
  
 时光飞逝。量子世界一如既往地怪异、难以捉摸。神奇的量子纠缠能在时空中无限延展下去吗？
  
 “至少现在理论是这样的，但也许量子纠缠会受到引力影响，它的品质会下降。而通过不断地扩展量子纠缠分发的距离，在实验上探寻量子物理和相对论的边界，我们可能对时空结构和引力开展前瞻性研究。”潘建伟说。
  
 下一步，潘建伟希望在地月拉格朗日点上放一个纠缠光源，向地球和月球分发量子纠缠。通过对30万公里或更远距离的纠缠分发，来观测其性质变化，对相关理论给出实验检测。
  
 “我已经47岁了，希望在60岁左右退休前，把这个实验做完。”他说。
  
 如果这个梦想能实现，潘建伟将摘取这个领域“皇冠上的明珠”。
  
 潘建伟认为，发展量子通信、量子计算技术是国家重大需求，自己义不容辞，而把量子世界最奇怪的问题搞清楚，是自己内心的原动力。
  
 “量子力学为什么会这么奇怪，这个基本问题根本没有解决，我们可能还处于出发点上。对我来说，为什么会有量子纠缠，是最深层次的东西，我始终没有忘记。我把实验做下去，将来可能搞明白。”潘建伟说。
  
 他也认为，科学理论与实用技术不应被割裂，自己愿意竭尽全力推动量子技术发展。
  
 “用量子手段可以做很多事情，例如做原子钟、精密测量，甚至可用来做癌症的早期诊断。操纵好量子，将为人类带来巨大福祉。”潘建伟说。