中國物理學家潘建偉。資料圖。

導讀：

6月10日-14日，包括四位諾貝爾獎得主在內的約300名物理學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，慶祝量子力學誕生100周年。

會議的最后一天上午，來自中國科學技術大學的潘建偉教授，作為本次研討會唯一一位來自中國本土高校和科研機構的報告人，發表了題為《量子信息處理的夢想與現實：過去、現在以及超越》的主旨報告。

盡管未能親臨現場，潘建偉通過預錄視頻做了約30分鐘的演講，并通過會議連線，與包括耶魯大學教授Jack Harris，量子信息先驅、加拿大計算機科學家Gilles Brassard在內的多位國際同行進行了交流。

陳曉雪|撰文

“整整一百年前，量子力學在這座黑爾戈蘭島上誕生，因此，此次會議在這個革命性理論的搖籃中舉行，意義非常深遠。”潘建偉在報告開場時講到。他指出，量子力學不僅徹底改變了人類對自然的理解，也孕育出量子信息科學這一正在深刻影響技術格局的新領域，包括量子通信、量子計算和量子精密測量。

美國實驗物理學家、科羅拉多大學教授Cindy Regal擔任潘建偉報告的主持人

潘建偉系統回顧了全球量子通信領域在過去四十年的發展，并重點介紹了中國團隊取得的突破性進展，例如從2007實現“誘騙態”協議將光纖量子密鑰分發的安全距離突破百公里，到2016年“墨子號”衛星成功發射，并在星地千公里間實現量子糾纏與密鑰分發。

“隨后，以‘墨子號’作為可信中繼節點，我們成功實現了北京與維也納之間、跨越7600公里的洲際量子密鑰分發。此外，我們還實現了‘墨子號’與加拿大卡爾加里之間的量子密鑰分發實驗等。通過國際合作，我們希望共同探索全球量子通信的可行性。”潘建偉說。

他還表示，未來將通過構建多顆低軌衛星組成的量子星座系統，并發展中高軌道（GEO）量子衛星，以實現更高效、全球覆蓋的量子通信網絡。他透露，攜帶光學原子鐘的首顆地球同步軌道量子衛星計劃于2027年前后具備發射條件，除了實現更高效、全球覆蓋的量子通信網絡，也將為量子計量學研究提供全新平臺，包括通過全球糾纏分發顯著提升原子鐘的短期穩定性，并為國際單位“秒”的重新定義奠定基礎。

他還談到在基礎研究方面的長遠夢想，借助量子隱形傳態，在地面構建千米級基線的量子增強望遠鏡陣列；通過在外太空超遠距離的超精確時間同步，探測中低頻引力波。

在量子計算方面，潘建偉引用美國物理學家John Preskill提出的“三階段路徑”概念（量子優越性、量子模擬、通用量子計算），并指出中國團隊正在多個平臺推進量子計算。

“祖沖之”系列超導處理器已經實現了105比特的量子計算，和已知最優的經典算法相比，展示的計算優勢超越經典計算機15個數量級；“九章”系列光子計算平臺系列目前已發展至“九章四號”（正在進行數據測試），實現了超過3000個光子事件的探測，在高斯玻色采樣問題中取得41個數量級的優勢。

潘建偉坦言，盡管量子計算優越性進展迅速，但通用容錯量子計算機仍需較長時間才能實現。“我們計劃在五年內實現對數百到上千量子比特的相干操控，開展量子模擬，探究高溫超導、量子霍爾效應等關鍵問題。10到15年內，希望將量子比特數擴展至百萬級，為通用量子計算奠基。”潘建偉說。

多位國際同行對潘建偉及其團隊在量子通信與計算領域的研究表現出興趣。

首先提問的是Helgoland 2025研討會的發起人和共同組織者、耶魯大學教授Jack Harris。他回憶起潘建偉在過往一次報告中提到，團隊曾設想在“地球與月球之間”進行量子糾纏分發，以驗證貝爾不等式，并有意引入“人類意識參與測量設定”的設想。

“你們還在推進這個方向嗎？你認為，我們會從這樣的實驗中學到什么？”Harris問道。

美國實驗物理學家、耶魯大學物理學和應用物理學教授Jack Harris希望了解潘建偉團隊的月地量子糾纏分發實驗的進展。圖片：陳曉雪

2018年，潘建偉團隊設計了一個在地球和月球之間進行貝爾不等式測試的實驗方案。他們指出，在地球和月球之間放置一個糾纏光子源（例如在某個拉格朗日點——即地月引力平衡點），向地球和月球分別發送一對量子糾纏光子，可以在人類提供隨機測量設置的情況下進行貝爾測試，并記錄結果。因為地月之間光速傳播要 1.28 秒，基本可以排除經典通信作弊的漏洞。

自量子力學建立以來，被愛因斯坦稱為“鬼魅般超距作用”的量子糾纏一直是人們激烈爭論的主題。經典物理認為，物理系統的性質在測量前就已經存在（實在性），而且一個物體的行為不應瞬時受到遙遠物體的影響（局域性），也就是不超過光速。但是，量子糾纏讓兩個粒子之間出現非定域關聯，仿佛“遙控”一般，似乎違反了這兩條經典原則。

貝爾不等式正是量化這種“經典限制”的數學工具。如果實驗證明貝爾不等式被違反，那說明自然界并不滿足局域實在論，這對哲學、宇宙觀、因果律都是深遠挑戰。

在過去四十年，量子糾纏和貝爾不等式已經得到不同尺度的檢驗，從幾十米增加到百公里光纖。2016年，“墨子號”量子衛星成功升空，首次實現基于星地糾纏分發的貝爾不等式實驗，其結果在千公里尺度上清晰地違反了貝爾不等式。

2022年的諾貝爾物理學獎頒給了三位研究量子糾纏的物理學家Alain Aspect, Anton Zeiling和John Clauser，正是因為他們在“糾纏光子實驗，驗證貝爾不等式不成立和開創量子信息科學”方面所做出的開創性貢獻。（相關閱讀：）

但在一些科學家看來，貝爾不等式的違背這一基礎問題依然沒有得到解決。例如，瑞士物理學家、量子力學基礎研究的先驅Nicholas Gisin就在黑爾戈蘭2025的報告中指出，即便我們取得了如此多的進步，量子非定域性依然是一個令人著迷的課題，在時空中，并沒有一個清晰的因果敘述能解釋量子糾纏是如何發生的。

對于Harris的關切，在線會議另一端的潘建偉毫不遲疑地回應：“是的，我們還在推進這個方向。”他介紹，團隊已經具備足夠的糾纏源性能和分發能力來支持地月之間的量子鏈路建立，未來計劃通過建設月球軌道通信鏈路來實施這一實驗。

他補充道，目前實驗仍待中國航天機構相關規劃出臺，但預期將在2030年或2035年實現。

第二位提問的是來自維也納大學的資深科學家Lee Rozema。他對“九章四號”實現超過3000個光子探測的技術細節頗感興趣：

“請問這是用下轉換（down-conversion）光源實現的，還是用你們的量子點光源實現的？你能否評論一下，在這類實驗中，哪種方案更有優勢？”

維也納大學實驗物理學家Lee Rozema提問了九章四號的技術細節。圖片：陳曉雪

潘建偉詳細解釋說，他們使用的是下轉換（down-conversion）光源。關鍵在于其干涉儀的結構設計：結合500個時間模和16個空間模，總共形成超過8000個時空模，借助特殊光纖結構，使不同時間模之間的光子也能發生干涉，從而實現高效的光子探測。

“我們當然沒有3000個單光子探測器，而是通過時間編碼的方式模擬出這一探測能力。這種方法特別適用于高斯玻色采樣。”他補充道。

相比之下，量子點光源雖然適用于少數高質量光子的生成，但當前最多也只能穩定地產生50個光子，尚不具備擴展性。“玻色采樣需要的就是這種可擴展的結構，因此目前來看，下轉換仍是更理想的方案。”潘建偉說。

量子密鑰分發協議BB84的發明人之一、量子密碼學奠基人Gilles Brassard關心中國的新一代量子通信衛星的工作。圖片：陳曉雪

隨后，加拿大蒙特利爾大學教授、量子密碼學奠基人Gilles Brassard走到講臺前，微笑著向屏幕另一端的潘建偉問候：“你好，建偉，很高興見到你。”

他關心的也是潘建偉團隊的量子通信實驗，特別是未來衛星作為糾纏源，實現基于糾纏的量子密鑰傳輸：“目前在技術最前沿，基于糾纏的量子密鑰技術的發展狀況是怎樣的？”

潘建偉回答說，“墨子號”的糾纏分發已達到1200公里，團隊正研制的新一代中高軌衛星，計劃于2027年前后發射，目標將糾纏距離推升至一萬公里以上。

“我們將這顆衛星命名為Dawn，意為‘晨曦’。”潘建偉在向Brassard介紹未來的衛星實驗時還提到這一點。據《賽先生》了解，這是潘建偉團隊首次公布這一中高軌量子衛星的名稱。

“不過，這類長距離實驗仍受到光子損耗影響，目前尚不具備設備無關性（device-independent）。”潘建偉指出，為實現設備無關的量子密鑰分發（DI-QKD），團隊已經完成了100公里級別的實驗，未來五年希望通過光纖擴展至千公里。

Brassard繼續追問：“那么，你們希望糾纏分發的速率可以達到多少？”

對此，潘建偉回應道：“如果每個節點只有一個量子存儲單元，到2030年我們希望達到每秒10對糾纏對。但如果能引入中性原子陣列，例如Mikhail Lukin團隊開發的技術，每個中性原子充當一個量子存儲單元，糾纏生成速率和分發距離都有望實現數量級提升。”

“盡管我們依然在談論‘量子力學’，但量子力學之所以獨特，正是因為它并非‘機械的’。我甚至要更進一步說一件可能有人不同意的事：唯物主義是錯誤的。自然界并不是一個樂高積木世界（Legoland）那樣可以拼拼湊湊完全還原的機械系統。”正如Gisin所說，關于量子力學，我們還有許多的疑問。

潘建偉和他的同事們，將用地月之間的光子與衛星、用數千個干涉模與存儲陣列，繼續量子力學基礎問題及其應用的探索。

本文轉載自《賽先生》微信公眾號

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