墨子号精神（团队励志故事我们都是追梦人——记“墨子号”团队的故事）
作者 | 林梅
上海、河北兴隆、青海德令哈、新疆南山、云南丽江还有西藏阿里，如果你在这几个城市，当地时间晚上12点左右仰望夜空，或许会看到一颗特别的星星——它发着奇异的绿光，步履匆匆，从出现到消失，只有短短几分钟的时间。这就是“墨子号”，引导它出现的，正是这五个区域的观测站发出的红色信标光。在天气晴朗的夜里，科研人员在这几个观测站，利用卫星过境的时间抓紧完成“墨子号”发射时既定的三个任务，又额外完成了一些其他的任务————这些工作发表在了《自然》、《科学》等顶尖学术期刊上，并被放上封面、专题报道等。
老兵的新任务
这颗叫作“墨子号”的量子科学实验卫星已经独自在太空中服役了将近四年，但是，他优秀的表现，总是让人忽略了他是一个超期服役的老兵。四年前的八月，在万众瞩目中，他一飞冲天，从茫茫戈壁进入卫星轨道，今天，他要挑战一个新的任务。
我们知道，从理论上讲，量子通信线路是安全的，但严格意义上来说，量子卫星如果作为中继节点，卫星就掌握着用户分发的全部密钥，一旦卫星被他方控制，仍然会有信息泄露的风险。在2017年的工作中，“墨子号”曾经将自己作为一个中继，完成了千公里级量子密钥分发实验。但是，只有将量子卫星变成真正的纠缠源，产生安全的密钥，并通过自由空间信道在遥远两地直接分发纠缠，“墨子号”卫星才能成为绝对忠诚的士兵，去守护通信的安全性。
于是，潘建伟团队进行了这次尝试。团队将地面上的设备进行了一次升级，配合“墨子号”接受挑战。
“墨子号”再一次搭载着纠缠光子源，驶入中国境内，凌晨2点，开始进入德令哈和南山的视野。他和地面上的跟踪捕获系统紧密配合，建立光链路，这样的链路连接时间只有短短285秒。在这285秒的时间内，卫星距离地面望远镜最近的时候只有几百公里，最远的时候有1500公里。
这次的任务里，卫星上的纠缠源要展示左右手并用的功力，将干涉仪内部产生的一对下转换的偏振纠缠光子对都分发下去，尽量准确高效地送到两个地面站的望远镜上。在30mW的泵浦功率下，每秒钟可以分发5.9×106对纠缠光子。
为了减小传输途中的损耗，科学家们选了晴朗无云的夜晚，最大程度的避免了大气雾霾对纠缠光子带来的损耗。地面上接收端的装置以及后续的光学处理系统也进行了最新的更新升级以保证收集效率，同时进一步对暗计数和背景计数进行压制。令人欣慰的是，这次的实验，信噪比和光子计数率都得到了显著的改善，单边的链路收集效率提高了大约2倍，这样一来，两边的符合计数，大约可以提高4倍。最终，在有限码长下以每秒0.12比特的码速率产生密钥。
值得一提的是，这次的实验，防攻击的手段也进一步升级。纠缠源保证了光源漏洞方面的安全性，所以科学家需要集中力量堵住探测端的漏洞。科学家通过一系列具有不同自由度的滤波器保证了公平采样原则，针对探测器相关攻击、依赖于波长的攻击、空间模式攻击、其他侧信道的攻击，也都有了技术上的解决方案。所以，不论是从纠缠源的角度，还是从地面站的防守角度来说，由这套设备生成的密钥实际上都是安全的。
这次任务的圆满完成，给了星载纠缠源一个证明自己的机会，让卫星脱离了中继的身份，作为一个真正的纠缠源，将无中继的量子密钥分发成码率提高了几倍。由于量子纠缠源本身的固有性质，它只负责产生纠缠光子，本身并不掌握密钥信息，即使它被攻击者占领或控制，只要地面上确定检测到两边的光子是纠缠的，那么我们的通信就是安全的，完全不需要担心光源被窃听的情况。
团队和“墨子号”共成长
这颗绿色的星背后，有这样一支大约五十人的科技团队——中国科学技术大学潘建伟院士领导的自由空间实验室。能在自由空间施展抱负，是很多量子学子的光荣，但也对个人素质提出了挑战。在这里，除了需要扎实的理论功底、优秀的实验调控技术，使用的实验器材也特别沉，实验室使用叉车、千斤顶是家常便饭。地面站的建设更是艰苦，外场一般都位于好山好水但是人迹罕至、生活条件差的区域，鱼龙混杂的生活环境、颠簸的山路、缺氧高寒的高原气候和蔬菜水果短缺，是工作人员经常会面对的问题。在这个男性也觉得怵头的工作环境中，这个团队的女性科技人员却用出色的工作证明了她们是一片绿色中最耀眼的红。而其中尤为突出的，就是“墨子号”量子纠缠源分系统主任设计师印娟教授，她也是这次无中继量子密钥分发实验论文的第一作者。
这已经不是她第一次拥有顶级刊物一作身份，早在几年前她就成为团队里第一个同时拥有《自然》和《科学》第一作者身份的科学家，这是潘建伟院士也没能拥有过的。
在外人看来，印娟教授和“墨子号”的关系在于分系统主任设计师的身份，可是在她自己看来，她和“墨子号”的缘分在于相互成就、共同成长，她很幸运地成为了我国量子科学发展、量子人才培养历程的亲历者和见证者。
2000年，印娟考入中国科学技术大学物理学院，大二结束的那个暑假，她来到了潘建伟教授的实验室。她是第六个来到这个实验室的学生，也是第一个女生。别看她当时在实验室年龄最小，正是她调出了实验室多光子平台第一个干涉曲线。几位大师兄彭承志、张强、陈宇翱和张军都已经成为“潘之队”的中坚力量，分别在量子通信、量子密码、冷原子模拟等领域大放异彩。一起闲聊时，他们常笑称只有他们才有资格叫印娟一声“师妹”，之后进实验室的人，则都是印娟的师弟师妹。印娟就这样成为了“潘之队”的关键一棒。
现在回忆起初入实验室的青涩，印娟教授还很感概——当时哪里想到会有“墨子号”这样的大项目在等着自己。其实在当时，对于自由空间量子通信，潘建伟院士是有自己的构想的。
量子理论诞生已有百年，但是量子信息学的起步则是上世纪末的事。1984年，Charles Bennett和Gilles Brassard一起开发了BB84量子加密系统，1989年，Bennett教授在John Smolin的帮助下，建立了世界上第一个基于量子密码学的工程演示，他们也因此被认为是现代量子信息理论的创始人之一。可以说，量子信息学是一门相当年轻的学科，十几年前更是如此。
原理上说，量子通信是一种无条件安全的通信方式，但要从实验室走向实际应用，则需要真正解决两大挑战：一是安全性问题，二是远距离传输问题。也就是，抗攻击，高效率。早在印娟刚进入实验室的时候，潘建伟院士就开始意识到，要想构建一个实用化的全球量子保密通信网络，卫星是可行的一个方案。因为只有在大气以外的真空中，光子的损耗才可以做到最小。但是，当时看来，在天上和地面间互相发射光子，技术上是令人难以置信的。需要一步一步去验证可行性！于是，和团队中陈宇翱、张强、陆朝阳等人被送往国外深造的经历不同，作为班级前五名的印娟很自然地选择了保研至合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理和量子信息研究部，加入了自由空间团队，师从潘建伟教授，开始了“墨子号”的故事。
千里之行，始于足下。用这句话形容“墨子号”和自由空间团队，实在是再贴切不过了。
对于单个光子来说，虽然太空中没什么损耗，但是地面附近大气层还是可能会对光子产生损耗和退相干效应。如果量子通信卫星能够有效工作，必须要在技术上保证光子可以穿越大气层的厚度还依然保持纠缠。为了验证这一点，2005年，潘建伟团队在合肥的大蜀山开展了水平距离13公里（大于大气层垂直厚度）的自由空间双向量子纠缠分发实验。实验中，发射器位于大蜀山山顶，海拔281 m，两个接收器分别位于中国科学技术大学的西校区和合肥的肥西，距离大蜀山分别为7.7 km和5.3 km。实验中观察到，穿过大气有效厚度之后，两个光子纠缠仍然存在，而且BB84量子密码方案是可行的。
类似的故事，同样发生在中国科大副研究员任继刚身上。2003年，任继刚还是清华的小硕一枚，因为对量子的好奇，走进了当时在清华开展博士后研究工作、后来担任“墨子号”科学应用系统总设计师的彭承志老师的实验室。博士期间，任继刚在彭承志老师的指导下，和几个师兄弟一起，把量子隐形传态这种科幻电影里的未来科技搬到了古老的长城烽火台旁边，实现了16公里的量子隐形传态。从此，任继刚和量子隐形传态结下了不解之缘。博士毕业时的他，并不知道星地之间的量子隐形传态将来是不是一定会实现，但他相信，如果要实现，一定就在中国，就在自己的团队。所以，任继刚同样选择留在国内，为未来的量子卫星全力以赴。
2008年，中国科学院知识创新工程重大项目启动，潘建伟团队的远距离量子通信研究成为第一批13个重大项目之一。知识创新工程是科学院结合国家战略需求和世界科技前沿，培育重大创新成果产出的战略部署，这一项目的启动，为团队所有人注入了强心针，针对量子通信卫星的科学任务，团队的年轻人开始了真正的原理验证和技术摸索。
学术界一般认为，量子密钥分发和量子隐形传态是量子通信的两个研究方向。所谓量子密钥分发，是指通过量子态的传输，使遥远两地的用户共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密。在潘建伟的设想里，以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，在星地间量子密钥分发的基础上，配合地面站和地面的量子通信局域网，最终建立完整天地一体化的量子通信网络，将无条件安全的保密通信应用于国防、金融等关键领域。而量子隐形传态是利用量子纠缠将物质的未知量子态精确传送到遥远地点，是实现分布式量子信息处理网络的基本单元。
此外，量子纠缠分发实验则是为了验证基本的量子纠缠理论，也成为了量子实验卫星的任务之一。
团队的年轻人奔赴云南、贵州、新疆，最终在青海湖找到了一处绝佳的演习场，用来证明量子卫星的可行性。青海湖是中国最大的湖泊，湖中心有一个小岛，青海湖北岸到南岸，恰好是一百余公里的长度，湖面上没有任何遮挡。卫星三大任务的预演就在这里开始。2007年博士毕业的任继刚、2009博士毕业的印娟、2010年将要博士毕业的廖胜凯，和其他研究人员就在这里开展研究，这些年轻的博士生、博士后，肩上的担子越来越重。
他们在青海湖湖心岛的住所是一间尼姑庵的客房，岛上的淡水、食物等基本生活物资都需要小船送来，下大雪的时候，积雪几乎要压塌棚顶，这些年轻人晚上做实验，白天睡觉，任继刚说，现在翻看那时的照片，生活的艰苦已经淡忘，苦中作乐的积极心态、恬淡的尼姑庵生活倒是让他非常怀念。
青海湖没有辜负这些年轻人的努力，广袤的地理和气候条件为量子卫星的各种技术验证提供了绝佳的环境。他们在青海湖实现了首个超过100公里的量子纠缠分发实验和量子隐形传态实验。这也是印娟和任继刚第一次作为第一作者，将自己的工作，发表在了国际权威学术期刊《自然》上。
当时，团队里的廖胜凯还是中科院上海技术物理所的博士生，作为电子学高手的廖胜凯，对青海湖的工作记忆犹新。低轨卫星高速飞过，地面的望远镜能不能准确跟瞄，接收到的光子如何分辨是不是卫星上发来的，很多技术问题都需要验证，所以，在青海湖进行的量子密钥分发实验中，团队进行了全方位的卫星技术论证，包括气浮平台、模拟星地相对运动、百公里级量子密钥分发实验等。尤其是实验中开发的高频、高精度的获取、指向、跟踪技术，成为了现在“墨子号”上最至关重要的一环。
2011年对潘建伟团队来说是不同寻常的一年，不仅青海湖实验有序推进，当年底，潘建伟团队还迎来了一个关键的节点——中科院空间科学先导专项将“量子科学实验卫星”正式立项。年轻的印娟和廖胜凯，一个博士后出站，另一个还没出站，就都被委以重任，印娟被任命为量子纠缠源载荷主任设计师，而廖胜凯则负责卫星系统量子实验控制与处理机系统，专攻诱骗态量子光源和时间同步、低噪声探测等电子学技术。他们不仅要负责自己熟悉领域的实验研究，作为载荷负责人，还要和许多航天系统的其他单位沟通，和老航天人、著名工程师一起，沟通协作，互相配合。
刚开始，无论对于团队成员来说，还是对于合作单位的人们来说，都是不小的挑战。不同背景的人，在技术路线、思维方式、甚至沟通的语言上，都存在差异。作为团队中少有的女性，印娟用实力说服大家，也用女性特有的性格特点和思维方式凝聚着团队。团队里都是年轻人，大家耐心学习，取长补短，做出了很多开创性的工作。现在回忆起来，印娟和廖胜凯最大的感触就是，航天工程是一个对错误零容忍的行业，因为卫星一旦上天，无法维修，而且天上的温度、宇宙射线、火箭发射时的振动，都可能对载荷产生致命影响。所以要完全杜绝带病上天，只能将所有意外的可能性考虑到，将可靠性的验证做到极致。廖胜凯形容这个过程为“打怪兽”。他们把能想象到的极端的环境都模拟出来：宇宙中的极端高低温交替、发射中剧烈的振动与冲击，都被用来一次次在样机上发起挑战。印娟回忆道：“合作久了，现在航天工程领域常用的思维方式和一些高效的项目管理办法，我们在团队中也会用到。”
在印娟和廖胜凯忙于卫星载荷的同时，任继刚全身心投入到了河北兴隆、新疆南山、青海德令哈、西藏阿里、云南丽江五个地面战的建设。其中，由于阿里站是唯一有“量子隐形传态”实验任务的地面站，任继刚投入了巨大的心血。阿里站位于距中印边境40多公里的地方，海拔5100米，高海拔和纯净稀薄的大气，为光子的行程提供了绝佳的条件，但也对科研人员的意志力提出了极大的考验，他们无时无刻不需要与极低的气温和有限的电力抗衡。望着天空中似乎近在咫尺的星星，任继刚脑中预演了无数遍量子隐形传态的神奇：一对相互纠缠的光子，一个在地面，另一个在天上。地面上的一枚光子与其他光子互相作用，坍缩陨灭，但量子态却瞬间传递到卫星上，在天上的那枚光子身上获得重生。
2016年8月16日，“墨子号”卫星在酒泉卫星发射中心发射升空，他在万众瞩目中一飞冲天，从茫茫戈壁进入卫星轨道，他身后，是用心血培养他长大的科学家们紧张又期待的目光。从那天起，团队所有人的作息与“墨子号”同步，在紧锣密鼓中度过了半年，完成了预定的三大实验。这个时候，大家已经记不清安心和家人度过春节是何年何月的事情了。
不知疲倦的墨子号
2017年6月16日，实验的三大任务之一——千公里级的星地双向量子纠缠分发实验，以封面论文的形式发表在国际权威学术期刊《科学》上，这也让印娟成为团队里第一个同时拥有《自然》和《科学》第一作者身份的科学家。
在那次实验中，两个地面站分别是青海德令哈站和云南丽江高美古站，两地相距1203公里。当时测得，S = 2.37± 0.09，在关闭局域性漏洞和测量选择漏洞的条件下，获得的实验结果以4倍标准偏差违背了贝尔不等式，即在千公里的空间尺度上实现了严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。
对于印娟来说，这次实验成功有着特别的意义。它让印娟想起12年前，起始于合肥大蜀山的自由空间远距离量子通信探索之路，终于被证明了是正确的。对于相距1200公里的两地来说，如果采取光纤的方式进行纠缠分发，由于无法避免的损耗，每秒钟只能获得10-12个双光子符合事件，而利用卫星，两百多秒的有效传输时间，获得了将近两百个符合计数，量子纠缠的传输衰减仅仅是同样长度最低损耗地面光纤的一万亿分之一。从大蜀山的13公里到“墨子号”的1200公里，印娟和团队所有人一起，走得充满艰辛却步履坚定。
紧随其后，2017年8月9日，星地间的远距离量子密钥分发、量子隐形传态，又同时发表在另一顶级学术期刊《自然》上。
在量子密钥分发实验中，配合“墨子号”完成实验任务的地面战位于距离北京不远的兴隆。实验中，采取的是弱相干光子源。一次单轨实验持续273秒，平均密钥生成速率大约为每秒1.1kbit，成码率又高了几个数量级。它证明了，我们的“墨子号”卫星可以作为一个可靠的中继，用于地球上远距离的两个点进行安全的密钥交换。
“墨子号”量子卫星的另一个科学目标之一——量子隐形传态实验，则采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式，地面光源每秒产生8000个量子隐形传态信号，也以6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限，给出了漂亮的答卷，为未来开展空间尺度量子通信网络研究以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。
三大任务完成之后，团队所有人终于踏踏实实过了一个春节。可是，很快又进入了紧张的节奏。因为潘建伟舍不得让这颗卫星按时光荣退休，他决定给这颗卫星老兵安排一些新任务。于是，“洲际量子密钥分发”、“引力诱导量子纠缠退相干实验检验”、“利用量子科学实验卫星实现量子安全时间传递的原理性实验验证”等实验纷纷对公众发布。这些实验，有的奠定了未来构建全球化量子通信网络的坚实基础，有的对尝试融合量子力学与广义相对论的物理学基础理论进行实验检验，有的通过对星地量子安全时间同步的技术验证，推动了量子精密测量相关领域的研究和应用。可以说，无论对于量子领域的基础理论、实验技术还是工程应用，“墨子号”都做出了最大的贡献。团队的科研人员尽管依然紧张忙碌，但是他们觉得只有做到最好，这颗卫星才没有辜负国家的重托和公众的期待。
接下来，“基于纠缠的量子密钥分发实验”和“双光子星地量子隐形传态实验”被排上了日程。在科研人员看来，这次基于纠缠的量子密钥分发实验，虽然达到了每秒0.12比特的速率，实际用起来还是太低，所以这个实验还是一次原理验证和技术准备。接下来，团队还要继续发展量子纠缠源技术，未来卫星上可每秒产生10亿个纠缠光子，最终密钥成码率将提高到每秒几十比特。而且，基于这套高效的星地链路收集技术，还要继续将卫星和地面设备都实现小型化，为未来量子通信的实用化、商业化奠定基础。
据悉，双光子星地量子隐形传态实验也已经完成，结果将会同样在学术刊物上进行发布。在这个实验中，光子的态不再满足于传到天上，而是要借助于卫星，传到地球上相距千里的其他地方。
写在最后：从量子信息学中的一个概念到超期服役毫无压力的量子通信实验卫星，“墨子号”团队已经走过了十多年。对于“墨子号”团队来说，实验的每一次成功，绝不仅仅意味着多了一项发布在《自然》、《科学》的工作，更多的是自己和团队十多年努力的结果，以及下一个十年奋斗的起点。
在这十多年里，团队里的很多人，从青涩的实验室学生，成长为独当一面的项目负责人。说起这十几年的经历，有人显得异常平淡，有人提起来妙趣横生。也许正如印娟教授所说，自己和“墨子号”是相互选择、相互成就。秉持着科大的传统，国家的需要就是最大的任务，能在最好的时机追逐中国梦的同时成就个人梦想是幸运的，那就尽可能做到最好。
负责“墨子号”的自由空间团队，绝大多数没有海外留学的经历，从本科到现在，在中国自己的土地上生根发芽、绿叶成荫，其中，不乏科大自己培养的青年科学家。他们见证了我国量子科学落地生根开花结果的十几年。印娟老师感慨道：“现在的国内情况与二十年前有很大不同，特别是在量子研究方面。通过十几年，我国在地面光纤和卫星量子通信领域都建立了国际领先的地位，成为其他国家的学生想要来学习与合作的地方。”
在量子通信领域，如今的潘建伟量子团队，已经成为世界上该领域的领跑者，许多国外的量子物理研究学者慕名而来，加拿大卡尔加里大学的理论物理学教授Barry Sanders、德国海德堡大学理论物理学教授Matthias Weidemüller现在都受聘为中科大量子信息与量子科技前沿协同创新中心教授。可以说，十几年的时间，中国在量子研究的世界地位，已被深刻改变。
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