中國(guó)物理學(xué)家潘建偉。資料圖。

導(dǎo)讀：

6月10日-14日，包括四位諾貝爾獎(jiǎng)得主在內(nèi)的約300名物理學(xué)家齊聚北海深處的黑爾戈蘭島，參加黑爾戈蘭2025（Helgoland 2025）研討會(huì)，慶祝量子力學(xué)誕生100周年。

會(huì)議的最后一天上午，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉教授，作為本次研討會(huì)唯一一位來(lái)自中國(guó)本土高校和科研機(jī)構(gòu)的報(bào)告人，發(fā)表了題為《量子信息處理的夢(mèng)想與現(xiàn)實(shí)：過(guò)去、現(xiàn)在以及超越》的主旨報(bào)告。

盡管未能親臨現(xiàn)場(chǎng)，潘建偉通過(guò)預(yù)錄視頻做了約30分鐘的演講，并通過(guò)會(huì)議連線(xiàn)，與包括耶魯大學(xué)教授Jack Harris，量子信息先驅(qū)、加拿大計(jì)算機(jī)科學(xué)家Gilles Brassard在內(nèi)的多位國(guó)際同行進(jìn)行了交流。

陳曉雪 | 撰 文

“整整一百年前，量子力學(xué)在這座黑爾戈蘭島上誕生，因此，此次會(huì)議在這個(gè)革命性理論的搖籃中舉行，意義非常深遠(yuǎn)?！迸私▊ピ趫?bào)告開(kāi)場(chǎng)時(shí)講到。他指出，量子力學(xué)不僅徹底改變了人類(lèi)對(duì)自然的理解，也孕育出量子信息科學(xué)這一正在深刻影響技術(shù)格局的新領(lǐng)域，包括量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量。

美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、科羅拉多大學(xué)教授Cindy Regal擔(dān)任潘建偉報(bào)告的主持人

潘建偉系統(tǒng)回顧了全球量子通信領(lǐng)域在過(guò)去四十年的發(fā)展，并重點(diǎn)介紹了中國(guó)團(tuán)隊(duì)取得的突破性進(jìn)展，例如從2007實(shí)現(xiàn)“誘騙態(tài)”協(xié)議將光纖量子密鑰分發(fā)的安全距離突破百公里，到2016年“墨子號(hào)”衛(wèi)星成功發(fā)射，并在星地千公里間實(shí)現(xiàn)量子糾纏與密鑰分發(fā)。

“隨后，以‘墨子號(hào)’作為可信中繼節(jié)點(diǎn)，我們成功實(shí)現(xiàn)了北京與維也納之間、跨越7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)。此外，我們還實(shí)現(xiàn)了‘墨子號(hào)’與加拿大卡爾加里之間的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)等。通過(guò)國(guó)際合作，我們希望共同探索全球量子通信的可行性。”潘建偉說(shuō)。

他還表示，未來(lái)將通過(guò)構(gòu)建多顆低軌衛(wèi)星組成的量子星座系統(tǒng)，并發(fā)展中高軌道（GEO）量子衛(wèi)星，以實(shí)現(xiàn)更高效、全球覆蓋的量子通信網(wǎng)絡(luò)。他透露，攜帶光學(xué)原子鐘的首顆地球同步軌道量子衛(wèi)星計(jì)劃于2027年前后具備發(fā)射條件，除了實(shí)現(xiàn)更高效、全球覆蓋的量子通信網(wǎng)絡(luò)，也將為量子計(jì)量學(xué)研究提供全新平臺(tái)，包括通過(guò)全球糾纏分發(fā)顯著提升原子鐘的短期穩(wěn)定性，并為國(guó)際單位“秒”的重新定義奠定基礎(chǔ)。

他還談到在基礎(chǔ)研究方面的長(zhǎng)遠(yuǎn)夢(mèng)想，借助量子隱形傳態(tài)，在地面構(gòu)建千米級(jí)基線(xiàn)的量子增強(qiáng)望遠(yuǎn)鏡陣列；通過(guò)在外太空超遠(yuǎn)距離的超精確時(shí)間同步，探測(cè)中低頻引力波。

在量子計(jì)算方面，潘建偉引用美國(guó)物理學(xué)家John Preskill提出的“三階段路徑”概念（量子優(yōu)越性、量子模擬、通用量子計(jì)算），并指出中國(guó)團(tuán)隊(duì)正在多個(gè)平臺(tái)推進(jìn)量子計(jì)算。

“祖沖之”系列超導(dǎo)處理器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了105比特的量子計(jì)算，和已知最優(yōu)的經(jīng)典算法相比，展示的計(jì)算優(yōu)勢(shì)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)15個(gè)數(shù)量級(jí)；“九章”系列光子計(jì)算平臺(tái)系列目前已發(fā)展至“九章四號(hào)”（正在進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試），實(shí)現(xiàn)了超過(guò)3000個(gè)光子事件的探測(cè)，在高斯玻色采樣問(wèn)題中取得41個(gè)數(shù)量級(jí)的優(yōu)勢(shì)。

潘建偉坦言，盡管量子計(jì)算優(yōu)越性進(jìn)展迅速，但通用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)仍需較長(zhǎng)時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。“我們計(jì)劃在五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)百到上千量子比特的相干操控，開(kāi)展量子模擬，探究高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等關(guān)鍵問(wèn)題。10到15年內(nèi)，希望將量子比特?cái)?shù)擴(kuò)展至百萬(wàn)級(jí)，為通用量子計(jì)算奠基?！迸私▊フf(shuō)。

多位國(guó)際同行對(duì)潘建偉及其團(tuán)隊(duì)在量子通信與計(jì)算領(lǐng)域的研究表現(xiàn)出興趣。

首先提問(wèn)的是Helgoland 2025研討會(huì)的發(fā)起人和共同組織者、耶魯大學(xué)教授Jack Harris。他回憶起潘建偉在過(guò)往一次報(bào)告中提到，團(tuán)隊(duì)曾設(shè)想在“地球與月球之間”進(jìn)行量子糾纏分發(fā)，以驗(yàn)證貝爾不等式，并有意引入“人類(lèi)意識(shí)參與測(cè)量設(shè)定”的設(shè)想。

“你們還在推進(jìn)這個(gè)方向嗎？你認(rèn)為，我們會(huì)從這樣的實(shí)驗(yàn)中學(xué)到什么？”Harris問(wèn)道。

美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、耶魯大學(xué)物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)教授Jack Harris希望了解潘建偉團(tuán)隊(duì)的月地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展。圖片：陳曉雪

2018年，潘建偉團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)在地球和月球之間進(jìn)行貝爾不等式測(cè)試的實(shí)驗(yàn)方案。他們指出，在地球和月球之間放置一個(gè)糾纏光子源（例如在某個(gè)拉格朗日點(diǎn)——即地月引力平衡點(diǎn)），向地球和月球分別發(fā)送一對(duì)量子糾纏光子，可以在人類(lèi)提供隨機(jī)測(cè)量設(shè)置的情況下進(jìn)行貝爾測(cè)試，并記錄結(jié)果。因?yàn)榈卦轮g光速傳播要 1.28 秒，基本可以排除經(jīng)典通信作弊的漏洞。

自量子力學(xué)建立以來(lái)，被愛(ài)因斯坦稱(chēng)為“鬼魅般超距作用”的量子糾纏一直是人們激烈爭(zhēng)論的主題。經(jīng)典物理認(rèn)為，物理系統(tǒng)的性質(zhì)在測(cè)量前就已經(jīng)存在（實(shí)在性），而且一個(gè)物體的行為不應(yīng)瞬時(shí)受到遙遠(yuǎn)物體的影響（局域性），也就是不超過(guò)光速。但是，量子糾纏讓兩個(gè)粒子之間出現(xiàn)非定域關(guān)聯(lián)，仿佛“遙控”一般，似乎違反了這兩條經(jīng)典原則。

貝爾不等式正是量化這種“經(jīng)典限制”的數(shù)學(xué)工具。如果實(shí)驗(yàn)證明貝爾不等式被違反，那說(shuō)明自然界并不滿(mǎn)足局域?qū)嵲谡?，這對(duì)哲學(xué)、宇宙觀、因果律都是深遠(yuǎn)挑戰(zhàn)。

在過(guò)去四十年，量子糾纏和貝爾不等式已經(jīng)得到不同尺度的檢驗(yàn)，從幾十米增加到百公里光纖。2016年，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星成功升空，首次實(shí)現(xiàn)基于星地糾纏分發(fā)的貝爾不等式實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果在千公里尺度上清晰地違反了貝爾不等式。

2022年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了三位研究量子糾纏的物理學(xué)家Alain Aspect, Anton Zeiling和John Clauser，正是因?yàn)樗麄冊(cè)凇凹m纏光子實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證貝爾不等式不成立和開(kāi)創(chuàng)量子信息科學(xué)”方面所做出的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。（相關(guān)閱讀：）

但在一些科學(xué)家看來(lái)，貝爾不等式的違背這一基礎(chǔ)問(wèn)題依然沒(méi)有得到解決。例如，瑞士物理學(xué)家、量子力學(xué)基礎(chǔ)研究的先驅(qū)Nicholas Gisin就在黑爾戈蘭2025的報(bào)告中指出，即便我們?nèi)〉昧巳绱硕嗟倪M(jìn)步，量子非定域性依然是一個(gè)令人著迷的課題，在時(shí)空中，并沒(méi)有一個(gè)清晰的因果敘述能解釋量子糾纏是如何發(fā)生的。

對(duì)于Harris的關(guān)切，在線(xiàn)會(huì)議另一端的潘建偉毫不遲疑地回應(yīng)：“是的，我們還在推進(jìn)這個(gè)方向?！彼榻B，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)具備足夠的糾纏源性能和分發(fā)能力來(lái)支持地月之間的量子鏈路建立，未來(lái)計(jì)劃通過(guò)建設(shè)月球軌道通信鏈路來(lái)實(shí)施這一實(shí)驗(yàn)。

他補(bǔ)充道，目前實(shí)驗(yàn)仍待中國(guó)航天機(jī)構(gòu)相關(guān)規(guī)劃出臺(tái)，但預(yù)期將在2030年或2035年實(shí)現(xiàn)。

第二位提問(wèn)的是來(lái)自維也納大學(xué)的資深科學(xué)家Lee Rozema。他對(duì)“九章四號(hào)”實(shí)現(xiàn)超過(guò)3000個(gè)光子探測(cè)的技術(shù)細(xì)節(jié)頗感興趣：

“請(qǐng)問(wèn)這是用下轉(zhuǎn)換（down-conversion）光源實(shí)現(xiàn)的，還是用你們的量子點(diǎn)光源實(shí)現(xiàn)的？你能否評(píng)論一下，在這類(lèi)實(shí)驗(yàn)中，哪種方案更有優(yōu)勢(shì)？”

維也納大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Lee Rozema提問(wèn)了九章四號(hào)的技術(shù)細(xì)節(jié)。圖片：陳曉雪

潘建偉詳細(xì)解釋說(shuō)，他們使用的是下轉(zhuǎn)換（down-conversion）光源。關(guān)鍵在于其干涉儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：結(jié)合500個(gè)時(shí)間模和16個(gè)空間模，總共形成超過(guò)8000個(gè)時(shí)空模，借助特殊光纖結(jié)構(gòu)，使不同時(shí)間模之間的光子也能發(fā)生干涉，從而實(shí)現(xiàn)高效的光子探測(cè)。

“我們當(dāng)然沒(méi)有3000個(gè)單光子探測(cè)器，而是通過(guò)時(shí)間編碼的方式模擬出這一探測(cè)能力。這種方法特別適用于高斯玻色采樣?！彼a(bǔ)充道。

相比之下，量子點(diǎn)光源雖然適用于少數(shù)高質(zhì)量光子的生成，但當(dāng)前最多也只能穩(wěn)定地產(chǎn)生50個(gè)光子，尚不具備擴(kuò)展性?！安Ｉ蓸有枰木褪沁@種可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)，因此目前來(lái)看，下轉(zhuǎn)換仍是更理想的方案?！迸私▊フf(shuō)。

量子密鑰分發(fā)協(xié)議BB84的發(fā)明人之一、量子密碼學(xué)奠基人Gilles Brassard關(guān)心中國(guó)的新一代量子通信衛(wèi)星的工作。圖片：陳曉雪

隨后，加拿大蒙特利爾大學(xué)教授、量子密碼學(xué)奠基人Gilles Brassard走到講臺(tái)前，微笑著向屏幕另一端的潘建偉問(wèn)候：“你好，建偉，很高興見(jiàn)到你?！?/p>

他關(guān)心的也是潘建偉團(tuán)隊(duì)的量子通信實(shí)驗(yàn)，特別是未來(lái)衛(wèi)星作為糾纏源，實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子密鑰傳輸：“目前在技術(shù)最前沿，基于糾纏的量子密鑰技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r是怎樣的？”

潘建偉回答說(shuō)，“墨子號(hào)”的糾纏分發(fā)已達(dá)到1200公里，團(tuán)隊(duì)正研制的新一代中高軌衛(wèi)星，計(jì)劃于2027年前后發(fā)射，目標(biāo)將糾纏距離推升至一萬(wàn)公里以上。

“我們將這顆衛(wèi)星命名為Dawn，意為‘晨曦’?！迸私▊ピ谙駼rassard介紹未來(lái)的衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)時(shí)還提到這一點(diǎn)。據(jù)《賽先生》了解，這是潘建偉團(tuán)隊(duì)首次公布這一中高軌量子衛(wèi)星的名稱(chēng)。

“不過(guò)，這類(lèi)長(zhǎng)距離實(shí)驗(yàn)仍受到光子損耗影響，目前尚不具備設(shè)備無(wú)關(guān)性（device-independent）?！迸私▊ブ赋?，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)（DI-QKD），團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了100公里級(jí)別的實(shí)驗(yàn)，未來(lái)五年希望通過(guò)光纖擴(kuò)展至千公里。

Brassard繼續(xù)追問(wèn)：“那么，你們希望糾纏分發(fā)的速率可以達(dá)到多少？”

對(duì)此，潘建偉回應(yīng)道：“如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)量子存儲(chǔ)單元，到2030年我們希望達(dá)到每秒10對(duì)糾纏對(duì)。但如果能引入中性原子陣列，例如Mikhail Lukin團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的技術(shù)，每個(gè)中性原子充當(dāng)一個(gè)量子存儲(chǔ)單元，糾纏生成速率和分發(fā)距離都有望實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)提升?！?/p>

“盡管我們依然在談?wù)摗孔恿W(xué)’，但量子力學(xué)之所以獨(dú)特，正是因?yàn)樗⒎恰畽C(jī)械的’。我甚至要更進(jìn)一步說(shuō)一件可能有人不同意的事：唯物主義是錯(cuò)誤的。自然界并不是一個(gè)樂(lè)高積木世界（Legoland）那樣可以拼拼湊湊完全還原的機(jī)械系統(tǒng)?！闭鏕isin所說(shuō)，關(guān)于量子力學(xué)，我們還有許多的疑問(wèn)。

潘建偉和他的同事們，將用地月之間的光子與衛(wèi)星、用數(shù)千個(gè)干涉模與存儲(chǔ)陣列，繼續(xù)量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題及其應(yīng)用的探索。