作者:蒋晨悦 来源:澎湃新闻 发布时间:2017/8/10 10:09:55
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潘建伟团队的追星人:从青海打怪兽到南山密码本

 

落日沉入天山支脉西侧。
 
吴骋爬上三折铁梯到天台,拉下手闸,打开穹顶,几乎是一整条银河铺过他头顶。风终于吹散了云层,织女星在银河一侧,牛郎星在另一侧。
 
他看向北天极,找到北斗七星中最低的那颗天璇星的位置,约是今夜墨子号量子通信卫星出现在夜空的高度。
 
在新疆南山地面站,重山已经隔断城市灯火,吴骋和李海兵在等墨子号来。对昼夜颠倒做量子卫星通信实验的人来说,凌晨是最需要清醒的时刻。
 
 
李海兵和吴骋每夜等待量子星过境的新疆南山夜空 澎湃新闻记者 王颖霞 图
 
8月10日,墨子号在太空中飞行的第359天,潘建伟带领的中国科学技术大学量子通信团队实现了“三箭齐发”的诺言。
 
继墨子号千公里级量子纠缠分发登上《科学》杂志封面后,英国《自然》杂志发布了潘建伟团队的另外两项成果:第一次实现了星地量子密钥分发,跨越千公里距离,从卫星向地面发送无法破解的“密码本”;在地星之间验证了“隐形传态”的理论,第一次将量子态由地面隐形传输至卫星上。
 
至此,“墨子号”量子卫星提前实现了全部三大既定科学目标。潘建伟团队希望,这将为中国继续引领世界量子通信技术发展、空间尺度量子物理基本问题检验,奠定科学与技术基础。
 
全球量子通信的研究者,一直在地面通信距离上争夺“首次”和“第一”。随着中国把第一颗量子卫星送入太空,天空拉开了新的战局。
 
潘建伟曾表示,量子通信能够防范监听,实现通信保密安全。到2030年,希望中国能率先建成全球化的广域量子通信网络。
 
2016年8月16日,世界第一颗量子卫星“墨子号”升空的那一夜,廖胜凯在甘肃酒泉卫星发射基地监控着发射塔架上的卫星状态,耳边只有轰轰隆隆的巨响,遗憾是没能亲眼看到墨子号升空。任继刚在西藏海拔5100米的阿里观测站待命,为星地对接做最后准备。阿里站将是墨子号第二个对接的地面站,卫星以每秒8公里的速度划过夜空时,他祈祷能顺利“抓住”这枚量子星。
 
李海兵和同事们站在茫茫戈壁上,在火箭引擎巨大的轰鸣声中,他们全程静默。1.5公里外,火箭终于载着墨子号升上夜空。
 
那一夜之后,他们都成了追量子星的人。
 
南山南:来自卫星的防监听“密码本”
 
入夏几场雨后,新疆南山的草已经疯长到半人多高。在量子通信地面站小楼四围,紫色风信子和浅蓝风铃草铺满山坡,鹰在荆棘开出的白花上空盘旋。
 
夕照渐渐从草场上消失。如果能劈散这一束夕阳余晖,劈到粒子不可再分,那么组成一束光的最微小粒子,就被称为光量子。对光量子振动的不同形态编码后完成分发,能够在收发双方生成一串量子密钥,用来加密信息。
 
保密,是量子通信、量子密钥分发的核心功能。
 
2004年,美国前特工斯诺登揭开美国“棱镜计划”,而后逃亡俄罗斯。这场美国国家安全局实施的窃听计划震骇了美国社会,邮件、通话、视频信息,都暴露在了电子监听之下。与此同时,通信网络却通过手机、电脑、银行交易、亲友通信……渗入日常生活的每个毛孔。
 
李海兵在南山站做卫星密钥分发的实验。他通常在黄昏时去地面站开始工作,夏天荆棘刺穿衣裤,半人高的草丛中已经踏出两条小径,冬天时候,一步一步陷在二十公分的白雪里。
 
南山的夜安静如与世隔绝。李海兵清楚记得荒草生长的速度,深夜四下只有自己发出的声响,和一只看见手电光亮就狂吠一路的家犬。
 
新疆南山量子通信地面站 澎湃新闻记者 蒋晨悦 图
 
墨子号会从夜空发下一串量子密钥。光量子细小到不可再分,不能被复制,而任何第三方的监听,都会引起光子的变化,从而被察觉。因此从理论上来说,是可以建立完美防范监听的“密码本”。
 
然而量子密钥分发有一个缺点—如果传输效率太低将无法成功获得密钥—光纤中单光子的传输损耗随距离增大而指数增加。目前单光子在光纤中传输的极限约404公里,而后衰减殆尽。根据数据测算,通过1200公里的光纤,即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器,也需要数百万年才能建立一个比特的密钥。
 
已建成的量子通信京沪干线使用传统光纤。2000余公里路途中设有32个可以信赖的中继站,以保证量子密钥的持续传递。但是北京到乌鲁木齐有近3000公里路,中国有960万平方公里的广阔国土。传输跨度太大时,使用光纤与中继站作为通道,并不是最安全理想的方案。
 
李海兵在地面站熬过午夜,如果他能在观测云层的望远镜中看到一条完整银河,这意味着天气晴好。当墨子号划过夜空的时候,他就可以用望远镜发出红色的信标光,在晴朗的夜空中锁定这颗量子星。
 
墨子号卫星的绿色轨迹 供图 量子通信南山地面站。
 
量子卫星的计划始于2003年,来自潘建伟的构想。之所以需要卫星,是因为光子在太空中传输损耗更低,通过卫星的辅助可以大幅度扩展量子通信距离。同时,由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势,是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码最有希望的途径。
 
李海兵告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn),2011年,他在网上看到中国科大上海研究院的招聘,成为团队的一员。但随着对量子卫星通信项目的逐步了解,他才意识到自己加入的是一个已耗时近十年、意在改变通信加密系统的庞大工程。
 
2016年,潘建伟团队将第一颗量子卫星送上距离地球500公里的轨道。此前,团队已在河北兴隆、新疆南山、青海德令哈、西藏阿里、云南丽江建立了5个地面通信站。实验首先定下的三个目标,分别是基础的千公里量子纠缠效应,极具应用前景的卫星量子密钥分发,和探索量子不可思议的“隐形传态”现象。这将是为在全球竞争中保持领先,奠下关键基础的一步。
 
当夜2点32分,墨子号如约从新疆南山过境。
 
地面站与卫星信号的“天地对接”,是量子卫星通信最大的难关之一。这颗量子星以每秒8公里的速度划过夜空,要实现与地面的双向锁定并传输光子,好比在万米高空的飞机上,往地面的一个存钱罐里扔旋转的硬币,需要准确地将硬币投入储蓄罐的狭小入口。李海兵每夜最担心的事情,就是怕“跟不上”墨子号。
 
为了实现星地之间这轻轻一握手,量子通信团队已付出了十余年光阴。
 
“打怪兽”:造外国人没有的量子星
 
2010年,任继刚有一段时间,住在中国最大湖泊青海湖的湖心岛上,一间尼姑庵的客房里。
 
在送量子卫星上天前,潘建伟团队需要在地面进行测试——以证明这颗卫星在工程上是可行的。研究团队翻遍了中国地图,发现中国最大湖泊的中心恰有一个小岛。从青海湖北岸,到青海湖南岸,也恰好是一百余公里的长度,湖面上没有任何遮挡。
 
但在这座岛上,只有一座藏传佛教的尼姑庵。任继刚和他的同事白天走去湖边的一口井,打水洗漱做饭,晚上做实验。隔几天湖上会泊来一艘船,送来食物和补给。
 
实验室搭在山上的帐篷里。风雨大作的时候,几个科研人员各自抱着实验室的一根柱子,撑过几个小时。冬天下雪的时候,为了让实验室的棚顶不被积雪压垮,只能几个人各抱一只扫帚,隔一会儿扫扫棚上积雪。
 
任继刚在西藏阿里做实验 。任继刚 供图
 
在这一片没有遮挡的湖面上,潘建伟团队首次实现了百公里级的量子纠缠分发和隐形传态。这两项成果在2012年登上了英国《自然》杂志。量子纠缠分发是指一对纠缠光子,不管相隔多远,一方出现变化,另一方也会出现同样的变化。隐形传态则是指通过一对纠缠光子的帮助,将未知量子态传输到远方,而无需传送信息载体本身。
 
青海湖的地面实验耗时约两年,印证了量子通信卫星的可行性。而后,团队开始造世界上第一颗量子卫星。
 
卫星载荷的主任设计师廖胜凯也曾经觉得不可能,“最开始听到说,我们要把光子,一个一个编码,从天上发个一千多公里发到地面,然后收起来,再解码,确实是认为也不太可能,觉得很难。”
 
廖胜凯大学在中国科大修读电子学,那时他以为自己会成为一个工程师。制作类似手机、电脑等电子系统,把各种各样功能的元器件组装到一起,按照自己设计的方式运转起来,廖胜凯觉得,这样的人生,也就很好啊。
 
廖胜凯告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn),在大学的时候,他也学过量子力学,但很多地方不是太理解,觉得太难了。他同时也想着,以后做一个电子学工程师,估计就不需要用量子力学知识了。
 
而人生如廖胜凯形容,总是“因缘际会”。
 
2007年,为了实现量子卫星的设想,潘建伟与王建宇结识。王建宇任中科院上海技术物理研究所所长,承担并完成了多项国家探月工程和卫星工程。
 
廖胜凯彼时在王建宇门下攻读博士,量子卫星终须落实成一项工程,于是“潘老师是科学家,王老师则是工程师。”后来王建宇成为了墨子号工程常务副总师,廖胜凯则担任卫星上装载设备的主任设计师,并主要负责量子密钥分发的研究。
 
“把一颗精密仪器卫星送到天上去之后,最大的问题是如果出现故障你不能派人去修。”廖胜凯回想项目评估的情形,“太难了,风险太大,如此精密的设备在太空中不能修理,太空中冷热交替,发射时的振动,宇宙粒子辐射会造成直接伤害等等。”
 
廖胜凯在酒泉卫星发射基地。  廖胜凯 供图
 
廖胜凯把送卫星上天的过程,形容为“打怪兽”。他们模拟出恶劣的太空环境“考验”卫星:极端高低温交替,元件温度有时高达近百度,而后又跌入零下,以及剧烈的振动与冲击……
 
廖胜凯说,他知道任继刚在西藏阿里时,气温零下二十度,手机一拿出来就自动关机。“可是卫星是不能关机的,要在各种严酷的环境下,都能够正常工作。”
 
廖胜凯性格直爽,说话快速果决。但设备真的在恶劣条件下出现损坏的时候,他们又焦虑到不能入睡,连夜检测问题。李海兵记得凌晨两三点时,去测试现场找廖胜凯,总是能找到正在忙碌的他。
 
也是在青海湖,团队用热气球模拟卫星,用卡车模拟地面基站,终于在地面证明了星地对接的可行性。
 
到青海实验完成的时候,量子卫星通信研究团队也基本组建完毕。主任设计师印娟自中国科大本科时期就加入了项目,主攻量子纠缠分发,任继刚负责隐形传态研究,廖胜凯则主攻卫星载荷与密钥分发。
 
阿里:瞬移太空的“幽灵”量子态
 
西藏阿里站海拔5100米,四季如冬。
 
2013年,为量子星地面站选址,任继刚第一次登上阿里天文观测台。
 
“我从来没有见过那么多的星星。”
 
任继刚告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn),看到那片”没有被人类文明影响过”的星空时,他突然明白,为什么古人看到星空时会内心震动,穷极一生去探索星辰运转的规律。
 
却又只是千年来学童朗朗诵读的四句:天地玄黄,宇宙洪荒,日月盈昃,辰宿列张。
 
海拔5100米的阿里观测台实在太冷,内心震撼的任继刚没一会,就不得不躲到了越野车里吹暖气。此后,阿里成为了唯一有量子“隐形传态”实验任务的地面站,而他军大衣外裹着棉被,断断续续,在阿里看了一年的星星。
 
在西藏阿里,被称为众神居所的冈仁波齐主峰四面,冈底斯山发育出四条河流,东面马泉河,南面孔雀河,西面象泉河,北面狮泉河。它们奔涌而下,流淌成恒河,澜沧江,印度河。
 
任继刚和阿里团队平日住在狮泉河镇,每天从海拔4300米的小镇,爬山到5100米的实验室。在五个地面通信站中,阿里站是唯一建立通向太空上传链路的地面站。因为青藏高原的高海拔与澄净大气,与从上海发光子上天相比,“由于空气稀薄能够在大气层少走近一半的路程”。
 
对于任继刚负责研究的隐形传态,美国流行的科幻片《星际迷航》有了更为夸张的想象:将一个人打散成为细小的原子,再通过隐形传态把原子的状态传送到空间中的任意地方,在那里将一堆原子复原成一个人,完成宇宙之中的瞬间移动。
 
《星际迷航》中的瞬间移动仍旧太过科幻。但任继刚在阿里站验证了光量子的不可思议现象:一对相互纠缠感应的光子,一个在地面,另一个发射到卫星上。地面上的一枚光子与另一枚光子互相作用,坍缩消失,其量子态却如“幽灵”一般,向卫星飞跃千里,瞬间让卫星上的光子获得了地面上光子的状态。
 
任继刚等研究人员在西藏阿里观测站与墨子号合影。任继刚 供图 
 
哪怕验证了这个名为“隐形传态”的现象,任继刚仍然觉得不可思议,“为什么信息的载体根本没有动,也没有出现在信道之中?”
 
任继刚与量子的结缘,可以回溯到1997年。那一年,潘建伟发表了第一篇隐形传态的实验论文。那一年,任继刚做过一张又一张枯燥的高考练习卷,做到了一张计算机被量子计算取代的阅读理解。 
 
“可能人一生被触动,就是因为一件很小的事情”。任继刚记得那篇科普文章很短很短,可是那一点备战高考中意外的快乐萦绕不去,于是秋天时候,任继刚成为了清华物理系的学生。
 
2005年,任继刚听说“潘老师团队缺人”,就去敲开了后来担任墨子号科学应用系统总设计师的彭承志的门说,“彭老师我想到这来。”
 
十几年后,任继刚已熟悉西藏夜空星辰运转的固定轨迹,而他却感叹人生的轨迹难以捉摸。2005年,彭承志对任继刚说,“那你就来吧。”
 
于是,他们几个人,一间空房子,用潘建伟提供的一笔资金启动了最初的实验。后来任继刚长年跑遍西北西南,满面风尘,却总有心无旁骛做一件事的快乐。
 
当时,任继刚和同事曾想效仿狼烟传信,在北京八达岭长城的烽火台上做隐形传态实验,最终因为保护文物未能遂愿。于是他们只能在宾馆的楼顶上,用超过两年的时间,完成了16公里的隐形传态。而在青海湖上,他们用两年时间,完成了一百公里的隐形传态实验。
 
墨子号上天后,任继刚在西藏阿里站第一轨就对上了卫星,高兴地开可乐庆祝。
 
阿里站十分“高冷”,电力紧缺,任继刚和同事们都不敢开空调。“走出实验室的时候,风刮过来……哎呦喂。”他们伸出手调试设备,不能戴手套,皮肤仿佛下一秒就要和机器冻粘在一起。
 
这还只是开始。卫星实验终究更为艰难。任继刚在青海湖做地面实验的时候,点对点,固定不动。但是当他在西藏阿里的山上追卫星,卫星的速度达到每秒8公里,转瞬即逝,分秒必夺。
 
任继刚说,在地面做实验的时候,“只要人熬得住,我都可以做。”可是每夜墨子号过轨只有300秒,这就难得多了:“只有系统足够稳定,保证每一个300秒都能收集到预期的数据,才能保证回家过个年”。
 
在西藏的冬天,他们熬过一个一个深夜,等待墨子号划过夜空。任继刚的妻子是一名军人,于是他们在西藏最近的距离,是他在阿里山上追量子星,而妻子在拉萨羊八井军演。任继刚有时会想起航天人常说的一句话,“要做一个好的航天人,先决条件是有一个好的妻子。”
 
天地一体化量子通信
 
有很多个夜晚,等到所有日光消失后,吴骋也在夜空寻找一条完整的银河,等待墨子号从天空中划过的短短300秒。
 
吴骋在中国科大上海研究院读博士二年级。从2016年起,他在河北兴隆、新疆南山、青海德令哈,都看过璀璨星河里的一颗量子星,熬夜做实验。他记得,墨子号升空之初,卫星过轨时的绿色光芒意味着天地对接成功,是足以让人高兴到手舞足蹈的。
 
吴骋在南山站外看墨子号穿过星河:“真的是夜空中最亮的星,没有星星比它更亮了。”
 
2016年8月25号,墨子号第一轨从河北兴隆过境。廖胜凯记得,彭承志当时在西安卫星测控中心,直接用手机打了视频去兴隆地面站现场,说“让我看看量子星长啥样”
 
“哇好亮。”
 
在那之后,他们把墨子号称为“夜空中最亮的星”。
 
 
南山地面站发出红色信标光与墨子号对接。 澎湃新闻记者 蒋晨悦 图
 
2016年12月,任继刚在阿里做完最后一轨实验,通过微信向彭承志报告。那时廖胜凯也差不多拿到了所有的实验数据,只待完成论文送审,“到了可以松一口气的时候”。
 
2017年6月雨季到来后,任继刚回到上海。由于常年跑外场的科研人员“身体发福严重”,潘建伟发起了三个月减肥数公斤的倡议,并在4楼设立一个小型健身房。任继刚的办公室在3楼,他自己买了沙袋、拳击手套,开始打有氧搏击和自由搏击,喜欢称自己“拳王阿里”。
 
等到9月,西藏的冬日降临冈底斯山,任继刚就要“再上阿里”。他相信,墨子号的使命绝不止于发布的这三项成果。
 
任继刚希望,第一颗升空的量子卫星会划开一个新的时代,人们会记得墨子号,就像记得苏联第一颗人造卫星升上天空,从而开启了天空的卫星时代。而墨子号印证了量子通信卫星的可行性,开启了量子通信乃至量子物理的空间时代。
 
新疆南山星空下的望远镜。 澎湃新闻记者 王颖霞 图
 
廖胜凯说起2030年,建成天地一体化的量子通信系统的目标,“团队已经开始了为实现这一目标努力了,或许不用等那么久”。
 
他打完了送量子卫星上天这轮怪兽,又开始了新一轮的打怪兽:墨子号毕竟是一颗科研实验卫星,只能在晴朗的夜空传送光子,而将量子通信拓展到白天,将巨大的地面通信站变得简易便携,适宜民用,这都是一轮新的怪兽要打。
 
在墨子号余下一年的设计寿命中,量子通信团队还有许多设想希望实现。 
 
2001年,潘建伟回国组建量子通信团队,时光已流过16年,距离量子卫星通信项目获批,过去了6年。距离二十世纪初,量子力学理论建立的群星璀璨时,已经过去了100多年。普朗克、海森堡、薛定谔等理论创立者,把自己的理论刻成了墓志铭。
 
2017年的元旦,彭承志、廖胜凯、任继刚和各个地面站的科研人员难得凑到了一起,在中国科大上海研究院的元旦晚会上,他们唱起了量子星版的《南山南》:
 
“你在地球的轨道里自由的飞,我在地面的山顶上冷风在吹……如果所有地面站连在一起,扫过夜空只为拥抱你。”
 
最后他们挥挥手,“一路顺风,我们的量子星。”
 
墨子号在天空飞行的第343天,吴骋在南山的夜空里,看到墨子号划出漂亮的轨迹,在300秒中,穿过云层,穿过北斗七星,穿过横贯天顶的银河。
 
而那一夜在天顶闪烁的星辰,不知有多少已经耗尽能量,湮灭在宇宙之中。唯有它们发出的光芒,在宇宙中飞行过亿万年,在那一刻抵达南山的夜空。

 

 

 
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以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点。 

2017/8/10 15:17:59 reticular
先别急着下跪,别再是第2个韩。
2017/8/10 13:24:52 xlsd
点赞!
2017/8/10 12:34:01 scking
铁木脑壳——文克玲之流,对米国还抱幻想吗?一切阴谋皆有可能,只是你脑壳简单而已!
2017/8/10 12:29:28 scking
2004年,美国前特工斯诺登揭开美国“棱镜计划”,而后逃亡俄罗斯。这场美国国家安全局实施的窃听计划震骇了美国社会,邮件、通话、视频信息,都暴露在了电子监听之下。与此同时,通信网络却通过手机、电脑、银行交易、亲友通信……渗入日常生活的每个毛孔。
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美国什么龌蹉事干不出来?想想吧,尤其榆木脑壳们!
2017/8/10 11:02:52 XLDSZ
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