中國唯一受邀報告人潘建偉的量子夢想 | 黑爾戈蘭2025
導(dǎo)讀：
6月10日-14日，包括四位諾貝爾獎得主在內(nèi)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(shù)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(gòu)的報告人，發(fā)表了題為《量子信息處理的夢想與現(xiàn)實：過去、現(xiàn)在以及超越》的主旨報告。
盡管未能親臨現(xiàn)場，潘建偉通過預(yù)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(qū)、加拿大計算機科學家Gilles Brassard在內(nèi)的多位國際同行進行了交流。
“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(shù)格局的新領(lǐng)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(tǒng)回顧了全球量子通信領(lǐng)域在過去四十年的發(fā)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(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”衛(wèi)星成功發(fā)射，并在星地千公里間實現(xiàn)量子糾纏與密鑰分發(fā)。
“隨后，以‘墨子號’作為可信中繼節(jié)點，我們成功實現(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，我們還實現(xiàn)了‘墨子號’與加拿大卡爾加里之間的量子密鑰分發(fā)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?！迸私▊フf。
他還表示，未來將通過構(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，攜帶光學原子鐘的首顆地球同步軌道量子衛(wèi)星計劃于2027年前后具備發(fā)射條件，除了實現(xiàn)更高效、全球覆蓋的量子通信網(wǎng)絡(luò)，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(fā)顯著提升原子鐘的短期穩(wěn)定性，并為國際單位“秒”的重新定義奠定基礎(chǔ)。
他還談到在基礎(chǔ)研究方面的長遠夢想，借助量子隱形傳態(tài)，在地面構(gòu)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(yōu)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(dǎo)處理器已經(jīng)實現(xiàn)了105比特的量子計算，和已知最優(yōu)的經(jīng)典算法相比，展示的計算優(yōu)勢超越經(jīng)典計算機15個數(shù)量級；“九章”系列光子計算平臺系列目前已發(fā)展至“九章四號”（正在進行數(shù)據(jù)測試），實現(xiàn)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(shù)量級的優(yōu)勢。
潘建偉坦言，盡管量子計算優(yōu)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(xiàn)。“我們計劃在五年內(nèi)實現(xiàn)對數(shù)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(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等關(guān)鍵問題。10到15年內(nèi)，希望將量子比特數(shù)擴展至百萬級，為通用量子計算奠基?！迸私▊フf。
多位國際同行對潘建偉及其團隊在量子通信與計算領(lǐng)域的研究表現(xiàn)出興趣。
首先提問的是Helgoland 2025研討會的發(fā)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(shè)想在“地球與月球之間”進行量子糾纏分發(fā)，以驗證貝爾不等式，并有意引入“人類意識參與測量設(shè)定”的設(shè)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(yīng)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(fā)實驗的進展。圖片：陳曉雪
2018年，潘建偉團隊設(shè)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(fā)送一對量子糾纏光子，可以在人類提供隨機測量設(shè)置的情況下進行貝爾測試，并記錄結(jié)果。因為地月之間光速傳播要 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(jīng)典物理認為，物理系統(tǒng)的性質(zhì)在測量前就已經(jīng)存在（實在性），而且一個物體的行為不應(yīng)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(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?qū)嵲谡?，這對哲學、宇宙觀、因果律都是深遠挑戰(zhàn)。
在過去四十年，量子糾纏和貝爾不等式已經(jīng)得到不同尺度的檢驗，從幾十米增加到百公里光纖。2016年，“墨子號”量子衛(wèi)星成功升空，首次實現(xiàn)基于星地糾纏分發(fā)的貝爾不等式實驗，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(chuàng)量子信息科學”方面所做出的開創(chuàng)性貢獻。（相關(guān)閱讀：潘建偉的導(dǎo)師等三人獲物理諾獎！）
但在一些科學家看來，貝爾不等式的違背這一基礎(chǔ)問題依然沒有得到解決。例如，瑞士物理學家、量子力學基礎(chǔ)研究的先驅(qū)Nicholas Gisin就在黑爾戈蘭2025的報告中指出，即便我們?nèi)〉昧巳绱硕嗟倪M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(fā)生的。
對于Harris的關(guān)切，在線會議另一端的潘建偉毫不遲疑地回應(yīng)：“是的，我們還在推進這個方向?！彼榻B，團隊已經(jīng)具備足夠的糾纏源性能和分發(fā)能力來支持地月之間的量子鏈路建立，未來計劃通過建設(shè)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(gòu)相關(guān)規(guī)劃出臺，但預(yù)期將在2030年或2035年實現(xiàn)。
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(xiàn)超過3000個光子探測的技術(shù)細節(jié)頗感興趣：
“請問這是用下轉(zhuǎn)換（down-conversion）光源實現(xiàn)的，還是用你們的量子點光源實現(xiàn)的？你能否評論一下，在這類實驗中，哪種方案更有優(yōu)勢？”
維也納大學實驗物理學家Lee Rozema提問了九章四號的技術(shù)細節(jié)。圖片：陳曉雪
潘建偉詳細解釋說，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：結(jié)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(jié)構(gòu)，使不同時間模之間的光子也能發(fā)生干涉，從而實現(xiàn)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(shù)高質(zhì)量光子的生成，但當前最多也只能穩(wěn)定地產(chǎn)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(jié)構(gòu)，因此目前來看，下轉(zhuǎn)換仍是更理想的方案。”潘建偉說。
量子密鑰分發(fā)協(xié)議BB84的發(fā)明人之一、量子密碼學奠基人Gilles Brassard關(guān)心中國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?！?/span>
他關(guān)心的也是潘建偉團隊的量子通信實驗，特別是未來衛(wèi)星作為糾纏源，實現(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)展狀況是怎樣的？”
潘建偉回答說，“墨子號”的糾纏分發(fā)已達到1200公里，團隊正研制的新一代中高軌衛(wèi)星，計劃于2027年前后發(fā)射，目標將糾纏距離推升至一萬公里以上。
“我們將這顆衛(wèi)星命名為Dawn，意為‘晨曦’?！迸私▊ピ谙駼rassard介紹未來的衛(wèi)星實驗時還提到這一點。據(jù)《賽先生》了解，這是潘建偉團隊首次公布這一中高軌量子衛(wèi)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(shè)備無關(guān)性（device-independent）?！迸私▊ブ赋?，為實現(xiàn)設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分發(fā)（DI-QKD），團隊已經(jīng)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(xù)追問：“那么，你們希望糾纏分發(fā)的速率可以達到多少？”
對此，潘建偉回應(yīng)道：“如果每個節(jié)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(fā)的技術(shù)，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(fā)距離都有望實現(xiàn)數(shù)量級提升?！?/span>
“盡管我們依然在談?wù)?/span>‘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(tǒng)。”正如Gisin所說，關(guān)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(wèi)星、用數(shù)千個干涉模與存儲陣列，繼續(xù)量子力學基礎(chǔ)問題及其應(yīng)用的探索。
