中国物理学家潘建伟。资料图。
导读：
6月10日-14日，包括四位诺贝尔奖得主在内的约300名物理学家齐聚北海深处的黑尔戈兰岛，参加黑尔戈兰2025（Helgoland 2025）研讨会，庆祝量子力学诞生100周年。
会议的最后一天上午，来自中国科学技术大学的潘建伟教授，作为本次研讨会唯一一位来自中国本土高校和科研机构的报告人，发表了题为《量子信息处理的梦想与现实：过去、现在以及超越》的主旨报告。
尽管未能亲临现场，潘建伟通过预录视频做了约30分钟的演讲，并通过会议连线，与包括耶鲁大学教授Jack Harris，量子信息先驱、加拿大计算机科学家Gilles Brassard在内的多位国际同行进行了交流。
陈晓雪|撰文
“整整一百年前，量子力学在这座黑尔戈兰岛上诞生，因此，此次会议在这个革命性理论的摇篮中举行，意义非常深远。”潘建伟在报告开场时讲到。他指出，量子力学不仅彻底改变了人类对自然的理解，也孕育出量子信息科学这一正在深刻影响技术格局的新领域，包括量子通信、量子计算和量子精密测量。
美国实验物理学家、科罗拉多大学教授Cindy Regal担任潘建伟报告的主持人
潘建伟系统回顾了全球量子通信领域在过去四十年的发展，并重点介绍了中国团队取得的突破性进展，例如从2007实现“诱骗态”协议将光纤量子密钥分发的安全距离突破百公里，到2016年“墨子号”卫星成功发射，并在星地千公里间实现量子纠缠与密钥分发。
“随后，以‘墨子号’作为可信中继节点，我们成功实现了北京与维也纳之间、跨越7600公里的洲际量子密钥分发。此外，我们还实现了‘墨子号’与加拿大卡尔加里之间的量子密钥分发实验等。通过国际合作，我们希望共同探索全球量子通信的可行性。”潘建伟说。
他还表示，未来将通过构建多颗低轨卫星组成的量子星座系统，并发展中高轨道（GEO）量子卫星，以实现更高效、全球覆盖的量子通信网络。他透露，携带光学原子钟的首颗地球同步轨道量子卫星计划于2027年前后具备发射条件，除了实现更高效、全球覆盖的量子通信网络，也将为量子计量学研究提供全新平台，包括通过全球纠缠分发显著提升原子钟的短期稳定性，并为国际单位“秒”的重新定义奠定基础。
他还谈到在基础研究方面的长远梦想，借助量子隐形传态，在地面构建千米级基线的量子增强望远镜阵列；通过在外太空超远距离的超精确时间同步，探测中低频引力波。
在量子计算方面，潘建伟引用美国物理学家John Preskill提出的“三阶段路径”概念（量子优越性、量子模拟、通用量子计算），并指出中国团队正在多个平台推进量子计算。
“祖冲之”系列超导处理器已经实现了105比特的量子计算，和已知最优的经典算法相比，展示的计算优势超越经典计算机15个数量级；“九章”系列光子计算平台系列目前已发展至“九章四号”（正在进行数据测试），实现了超过3000个光子事件的探测，在高斯玻色采样问题中取得41个数量级的优势。
潘建伟坦言，尽管量子计算优越性进展迅速，但通用容错量子计算机仍需较长时间才能实现。“我们计划在五年内实现对数百到上千量子比特的相干操控，开展量子模拟，探究高温超导、量子霍尔效应等关键问题。10到15年内，希望将量子比特数扩展至百万级，为通用量子计算奠基。”潘建伟说。
多位国际同行对潘建伟及其团队在量子通信与计算领域的研究表现出兴趣。
首先提问的是Helgoland 2025研讨会的发起人和共同组织者、耶鲁大学教授Jack Harris。他回忆起潘建伟在过往一次报告中提到，团队曾设想在“地球与月球之间”进行量子纠缠分发，以验证贝尔不等式，并有意引入“人类意识参与测量设定”的设想。
“你们还在推进这个方向吗？你认为，我们会从这样的实验中学到什么？”Harris问道。
美国实验物理学家、耶鲁大学物理学和应用物理学教授Jack Harris希望了解潘建伟团队的月地量子纠缠分发实验的进展。图片：陈晓雪
2018年，潘建伟团队设计了一个在地球和月球之间进行贝尔不等式测试的实验方案。他们指出，在地球和月球之间放置一个纠缠光子源（例如在某个拉格朗日点——即地月引力平衡点），向地球和月球分别发送一对量子纠缠光子，可以在人类提供随机测量设置的情况下进行贝尔测试，并记录结果。因为地月之间光速传播要 1.28 秒，基本可以排除经典通信作弊的漏洞。
自量子力学建立以来，被爱因斯坦称为“鬼魅般超距作用”的量子纠缠一直是人们激烈争论的主题。经典物理认为，物理系统的性质在测量前就已经存在（实在性），而且一个物体的行为不应瞬时受到遥远物体的影响（局域性），也就是不超过光速。但是，量子纠缠让两个粒子之间出现非定域关联，仿佛“遥控”一般，似乎违反了这两条经典原则。
贝尔不等式正是量化这种“经典限制”的数学工具。如果实验证明贝尔不等式被违反，那说明自然界并不满足局域实在论，这对哲学、宇宙观、因果律都是深远挑战。
在过去四十年，量子纠缠和贝尔不等式已经得到不同尺度的检验，从几十米增加到百公里光纤。2016年，“墨子号”量子卫星成功升空，首次实现基于星地纠缠分发的贝尔不等式实验，其结果在千公里尺度上清晰地违反了贝尔不等式。
2022年的诺贝尔物理学奖颁给了三位研究量子纠缠的物理学家Alain Aspect, Anton Zeiling和John Clauser，正是因为他们在“纠缠光子实验，验证贝尔不等式不成立和开创量子信息科学”方面所做出的开创性贡献。（相关阅读：）
但在一些科学家看来，贝尔不等式的违背这一基础问题依然没有得到解决。例如，瑞士物理学家、量子力学基础研究的先驱Nicholas Gisin就在黑尔戈兰2025的报告中指出，即便我们取得了如此多的进步，量子非定域性依然是一个令人着迷的课题，在时空中，并没有一个清晰的因果叙述能解释量子纠缠是如何发生的。
对于Harris的关切，在线会议另一端的潘建伟毫不迟疑地回应：“是的，我们还在推进这个方向。”他介绍，团队已经具备足够的纠缠源性能和分发能力来支持地月之间的量子链路建立，未来计划通过建设月球轨道通信链路来实施这一实验。
他补充道，目前实验仍待中国航天机构相关规划出台，但预期将在2030年或2035年实现。
第二位提问的是来自维也纳大学的资深科学家Lee Rozema。他对“九章四号”实现超过3000个光子探测的技术细节颇感兴趣：
“请问这是用下转换（down-conversion）光源实现的，还是用你们的量子点光源实现的？你能否评论一下，在这类实验中，哪种方案更有优势？”
维也纳大学实验物理学家Lee Rozema提问了九章四号的技术细节。图片：陈晓雪
潘建伟详细解释说，他们使用的是下转换（down-conversion）光源。关键在于其干涉仪的结构设计：结合500个时间模和16个空间模，总共形成超过8000个时空模，借助特殊光纤结构，使不同时间模之间的光子也能发生干涉，从而实现高效的光子探测。
“我们当然没有3000个单光子探测器，而是通过时间编码的方式模拟出这一探测能力。这种方法特别适用于高斯玻色采样。”他补充道。
相比之下，量子点光源虽然适用于少数高质量光子的生成，但当前最多也只能稳定地产生50个光子，尚不具备扩展性。“玻色采样需要的就是这种可扩展的结构，因此目前来看，下转换仍是更理想的方案。”潘建伟说。
量子密钥分发协议BB84的发明人之一、量子密码学奠基人Gilles Brassard关心中国的新一代量子通信卫星的工作。图片：陈晓雪
随后，加拿大蒙特利尔大学教授、量子密码学奠基人Gilles Brassard走到讲台前，微笑着向屏幕另一端的潘建伟问候：“你好，建伟，很高兴见到你。”
他关心的也是潘建伟团队的量子通信实验，特别是未来卫星作为纠缠源，实现基于纠缠的量子密钥传输：“目前在技术最前沿，基于纠缠的量子密钥技术的发展状况是怎样的？”
潘建伟回答说，“墨子号”的纠缠分发已达到1200公里，团队正研制的新一代中高轨卫星，计划于2027年前后发射，目标将纠缠距离推升至一万公里以上。
“我们将这颗卫星命名为Dawn，意为‘晨曦’。”潘建伟在向Brassard介绍未来的卫星实验时还提到这一点。据《赛先生》了解，这是潘建伟团队首次公布这一中高轨量子卫星的名称。
“不过，这类长距离实验仍受到光子损耗影响，目前尚不具备设备无关性（device-independent）。”潘建伟指出，为实现设备无关的量子密钥分发（DI-QKD），团队已经完成了100公里级别的实验，未来五年希望通过光纤扩展至千公里。
Brassard继续追问：“那么，你们希望纠缠分发的速率可以达到多少？”
对此，潘建伟回应道：“如果每个节点只有一个量子存储单元，到2030年我们希望达到每秒10对纠缠对。但如果能引入中性原子阵列，例如Mikhail Lukin团队开发的技术，每个中性原子充当一个量子存储单元，纠缠生成速率和分发距离都有望实现数量级提升。”
“尽管我们依然在谈论‘量子力学’，但量子力学之所以独特，正是因为它并非‘机械的’。我甚至要更进一步说一件可能有人不同意的事：唯物主义是错误的。自然界并不是一个乐高积木世界（Legoland）那样可以拼拼凑凑完全还原的机械系统。”正如Gisin所说，关于量子力学，我们还有许多的疑问。
潘建伟和他的同事们，将用地月之间的光子与卫星、用数千个干涉模与存储阵列，继续量子力学基础问题及其应用的探索。
本文转载自《赛先生》微信公众号
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