量子通信 必将惊天动地 走近中科院量子信息重点实验室神秘的“科学矿工”
走近中科院量子信息重点实验室神秘的“科学矿工” 
杨木在实验室。
中科院量子信息重点实验室。
华西都市报-封面新闻记者陈彦霏忻晓松摄影报道
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，探访这一正在孕育中的“全新物种”——量子通信。
2019年底，英国和丹麦科学家发布的一则论文举世关注。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，进入到了神秘的量子世界。
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，则还会嫌不够黑，觉得光在里面会影响结果。”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”。
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。
快速识别各种不同的量子关联，在推进量子通信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，却足足花了近半年时间才完成摆放和优化。
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点测到第二天八九点，不仅晨昏颠倒，还因为数据精度要求非常高，杨木必须一直守在电脑旁。
“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。但最终，他否决了赚钱为成功标准，“总得有人去做基础研究吧。”
通过近3年的努力，秉持冒险梦想的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。
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 计算机和通信技术将彻底革新
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。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。”李传锋说。
量子通信“进化”时间线
01 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。02 2003年中国科技大学在校园内铺设了3.2千米的量子通信系统。 03 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。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”。05 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。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。07 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”。
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