潘建偉的團隊參與了大貝爾實驗。結(jié)果不出意外，再次證明了量子力學(xué)的正確性，和之前的多次實驗結(jié)果一樣。相關(guān)成果以 Letter 的形式發(fā)表在了 2018 年 5 月 10 的《自然》雜志上。Letter 也是研究成果的發(fā)表形式，比 Article 的等級略低一點，但也是重要的文獻。

這幾年他一直在孜孜不倦地打假潘建偉教授，差不多有 10 年了吧，我記得我寫《時間的形狀》第一版時，就是因為看到了方舟子的打假文章，下筆的時候還特別小心翼翼地用了我等吃瓜群眾目前還在看熱鬧中的說法，但是到第二版的時候，我就刪除了。因為隨著時間的推移，潘建偉教授的學(xué)術(shù)成就越來越可靠。

最能說明潘建偉學(xué)術(shù)成就的是 2017 年，他兩度在國際最頂尖的科學(xué)期刊上發(fā)表論文。2017 年 6 月，潘建偉領(lǐng)銜的全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”團隊實現(xiàn)了“千公里級”的星地雙向量子糾纏分發(fā)，打破了此前國際上保持多年的“百公里級”紀錄，相關(guān)成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。時隔一個多月，這支團隊又在國際上第一次成功實現(xiàn)“千公里級”的星地雙向量子通信，相關(guān)成果在線發(fā)表在《自然》雜志上。年底，他又被《自然》雜志評為年度十大科學(xué)人物。

當(dāng)然，有人也可以用韓春雨事件來說這還是不能說明問題。但關(guān)于潘建偉教授的報道并不是突然一陣風(fēng)，是由來已久了，可以說，經(jīng)受住了時間的檢驗。久負盛名的著名科普雜志《科學(xué)美國人》 2017 年 6 月也曾經(jīng)發(fā)文科普過潘建偉和他的量子通信。

聽眾“薛定諤的貓”在我的微信公號中留言寫道：汪老師，請談?wù)勁私▊F隊的大貝爾試驗好嗎？新華社說是由潘建偉團隊主導(dǎo)的試驗，完全不提國際合作的事情，我去看了一下原論文，奈何英文不行，大致看出來還有好多國際團隊的合作。這個試驗的意義有多重要？之前也有聽眾問起過，說方舟子一直在孜孜不倦地打假潘建偉，想知道潘建偉在研究的量子通信到底是不是偽科學(xué)，國際上對這個項目又是怎么看的？

好，那我今天就借著大貝爾試驗的這條新聞，再跟大家聊聊潘建偉教授的成就。先來說一下大貝爾試驗是怎么回事?？陀^地說，新華社的這篇新聞實在有點讓我無語，豎立民族自信最好還是要建立在客觀真實上。新華社的這篇新聞稿是 2018 年 5 月 11 日發(fā)出來的，也就是前兩天的事情，我的很多群里都在轉(zhuǎn)發(fā)。我先給大家念一下新華社的原文，然后我再說真實的情況，你們就知道是怎么回事了。原文是這樣：

近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事彭承志、印娟、張強、陳宇翱等組成的團隊，在國際上首次實驗實現(xiàn)了基于人類自由意志和超高損耗下的貝爾不等式檢驗，并在此基礎(chǔ)上開展全球合作，利用超過十萬人的自由意志產(chǎn)生的隨機數(shù)進行了量子非定域性檢驗，相關(guān)成果于5月10日發(fā)表在《自然》雜志上。

好了，新聞聽完了。你再仔細聽我說下面三點：

這個大貝爾試驗是 2016 年 11 月29 日開始的，持續(xù)了大約 1 天的時間，注意時間，是2016 年，這就是新華社新聞中所說的“近期”的準(zhǔn)確含義。

《自然》雜志的那篇文章的署名作者的名單很長很長，有幾十個人，潘建偉教授他們當(dāng)然也在其中。

這是一個國際合作項目，初始倡議者是西班牙的光子科學(xué)研究所，參與的機構(gòu)全世界加起來總共有 9 家，中科大只是其中之一，并沒有任何特殊性質(zhì)。

知道了這三條基本情況后，我再來說說這個大貝爾試驗是咋回事。貝爾實驗是數(shù)學(xué)家貝爾提出來的一個驗證量子力學(xué)的物理實驗，主要與量子糾纏的性質(zhì)有關(guān)。那關(guān)于什么是量子糾纏，什么是貝爾實驗，請聽我《宇宙自然生命簡史》的第 21 和22 期節(jié)目，我介紹的非常詳細，而且通俗易懂，我不再贅言。在貝爾實驗中，有一個重要的工具，就是需要一組很長很長的隨機數(shù)。有一些特別苛刻的的科學(xué)家就提出，之前所有的貝爾實驗中產(chǎn)生的隨機數(shù)都值得懷疑，不是真正的隨機數(shù)，因為只要是用機器產(chǎn)生的隨機數(shù)都不見得是真隨機，或許就是在宇宙大爆炸的那一刻就由所有的參數(shù)決定了的。那既然隨機數(shù)不是真隨機，那么實驗的根基就不牢靠。為了應(yīng)對這樣的質(zhì)疑，有一些科學(xué)家就提出了另外一種隨機數(shù)產(chǎn)生的方法，就是用人肉來產(chǎn)生。這是基于自由意志假說，也就是說人的意志不是在宇宙大爆炸那一刻被決定的，每個人都有自由意志，所以如果你現(xiàn)在閉著眼睛隨機的寫 0 和 1 的字串，這個字串就是隨機的。當(dāng)然，為了更保險，最好是幾萬人甚至十幾萬人寫下的字串再歸納。為了不讓這件事情干著太枯燥，于是科學(xué)家們就設(shè)計了一個游戲，邀請全世界的普通人在同一段時期內(nèi)一起來玩。原本是計劃邀請到 3 萬人以上，最后實際參與的人數(shù)超過了 10 萬。

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圖：這就是當(dāng)時的隨機數(shù)游戲

這個就差不多是大貝爾試驗的基本情況。潘建偉的團隊參與了這次實驗。結(jié)果不出意外，再次證明了量子力學(xué)的正確性，和之前的多次實驗結(jié)果一樣。相關(guān)成果以 Letter 的形式發(fā)表在了 2018 年 5 月 10 的《自然》雜志上。Letter 也是研究成果的發(fā)表形式，比 Article 的等級略低一點，但也是重要的文獻。

說實話，我覺得這不算是非常重要的科學(xué)成果，感覺更有點像是一場對公眾做科普的秀，很好玩，也很有話題性，但科研價值可能有限。因為對于這次實驗，在科學(xué)界其實并沒有人認為會出現(xiàn)什么驚人的不同結(jié)果。我認為加上人類自由意志的噱頭不過是更容易引起公眾的興趣罷了。

說回方舟子打假，我承認方舟子確實成功地打過很多科技領(lǐng)域的假，而且如果是在他的本專業(yè)范圍領(lǐng)域內(nèi)的，我印象中還沒有失手過。不過出了他擅長的生物化學(xué)領(lǐng)域，就不好說了。這幾年他一直在孜孜不倦地打假潘建偉教授，差不多有 10 年了吧，我記得我寫《時間的形狀》第一版時，就是因為看到了方舟子的打假文章，下筆的時候還特別小心翼翼地用了我等吃瓜群眾目前還在看熱鬧中的說法，但是到第二版的時候，我就刪除了。因為隨著時間的推移，潘建偉教授的學(xué)術(shù)成就越來越可靠。

最能說明潘建偉學(xué)術(shù)成就的是 2017 年，他兩度在國際最頂尖的科學(xué)期刊上發(fā)表論文。2017 年 6 月，潘建偉領(lǐng)銜的全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”團隊實現(xiàn)了“千公里級”的星地雙向量子糾纏分發(fā)，打破了此前國際上保持多年的“百公里級”紀錄，相關(guān)成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。時隔一個多月，這支團隊又在國際上第一次成功實現(xiàn)“千公里級”的星地雙向量子通信，相關(guān)成果在線發(fā)表在《自然》雜志上。年底，他又被《自然》雜志評為年度十大科學(xué)人物。

當(dāng)然，有人也可以用韓春雨事件來說這還是不能說明問題。但關(guān)于潘建偉教授的報道并不是突然一陣風(fēng)，是由來已久了，可以說，經(jīng)受住了時間的檢驗。久負盛名的著名科普雜志《科學(xué)美國人》 2017 年 6 月也曾經(jīng)發(fā)文科普過潘建偉和他的量子通信。我請我的助理小編把這篇文章全文翻譯了一遍，發(fā)布在這里，而在我的音頻節(jié)目中我會選取一部分念一下。

**** 全文 ****

中國打破“幽靈般超距作用”的紀錄，準(zhǔn)備好迎接量子互聯(lián)網(wǎng)

Lee Billings

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去年六月的測試具有里程碑式的意義。潘建偉率領(lǐng)的團隊使用實驗衛(wèi)星在前所未有的距離上，測試了量子糾纏。他們將糾纏態(tài)的光子對發(fā)射到了中國的三個地面站，而地面站之間都相隔超過 1200 公里。這項測試驗證了量子理論長期以來顯得頗為神秘的原理，并建立起了中國在新興的“量子太空競賽”中的領(lǐng)跑者地位。中國的目標(biāo)就是創(chuàng)建一個基于量子的安全的通信網(wǎng)絡(luò)，也就是一個潛在的不可撼動的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，這將具有巨大的地緣政治意義。

日內(nèi)瓦大學(xué)的物理學(xué)家尼古拉斯·吉辛并沒有參與墨子號的研究，她是這么評價的，中國已經(jīng)在量子通信領(lǐng)域了取得了領(lǐng)先，這證明全球量子通信是可能的，并且將在不久的未來得以實現(xiàn)。

量子通信這個概念被認為是安全的最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)，部分原因是因為任何竊聽行為都會在傳輸中留下印記。傳統(tǒng)的加密信息需要密鑰來解密，但是這些密鑰在發(fā)送給以太空間的過程中有時會被竊取。而在量子通信中，這些密鑰可以編碼成糾纏光子的各種量子態(tài)，例如它們的極化狀態(tài)。而且如果信息被中途竊聽，信息的量子態(tài)將不可避免地發(fā)生改變。基于地面的量子通信通常會通過光纖電纜或在露天發(fā)送糾纏光子對。但沿途與普通原子的碰撞會干擾光子脆弱的量子態(tài)，使傳輸距離被限制在了幾百公里。而去年六月潘建偉的測試距離達到了千公里級。有一種被稱為“量子中繼器”的精密儀器，配有“量子存儲器”的模塊，原則上可以以菊花鏈的形式連接在一起接收、存儲和重新傳輸長距離的量子密鑰。但這項任務(wù)非常復(fù)雜和困難，以至于這些系統(tǒng)很大程度上依然只存在于理論中。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納分校的物理學(xué)家保爾·威特表示，量子中繼器必須從兩個不同的地方接收光子，然后將他們存儲在量子存儲器中，接著直接讓它們互相干涉，之后才能沿著網(wǎng)絡(luò)發(fā)送進一步的信號。他還說，為了完成以上的步驟，你必須在沒有實際測量它們的情況下，明確地知道已經(jīng)存儲了它們，這有點像沒有打開郵件的包裹，但知道里面裝的是什么物品。如果是包裹，你還可以晃動下聽聽里面是什么，但難就難在你收到的只是光子。你希望確認你已經(jīng)收到了它們，但你不希望吸收它們。毫無疑問，理論上是完全可以實現(xiàn)的，但現(xiàn)實中很難做到。

為了形成環(huán)繞全球的安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)，唯一可行的方案就是從太空中發(fā)送量子密鑰，然后將它們分發(fā)到數(shù)千公里以外的地面節(jié)點。以中國古代哲學(xué)家命名的墨子號，重達 600 公斤，2016 年時已經(jīng)被發(fā)送到了近地軌道。這是中國在量子通信領(lǐng)域發(fā)力的標(biāo)志性事件。但這還不算完，墨子號只是排頭兵，接著還有一系列的國家層面的研究計劃，投入的總額約為 1 億美元，項目被稱為“量子科學(xué)試驗衛(wèi)星”（QUESS）。

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墨子號攜帶的核心部件是一系列晶體和激光器，它們能夠產(chǎn)生糾纏的光子對，然后將光子對分離，通過單獨的光束傳輸?shù)叫l(wèi)星視線范圍內(nèi)的地球上的地面基站。2017 年 6 月的測試，三座接收站有兩座位于青藏，分別是德令哈和烏魯木齊，還有一座位于西南部的麗江。德令哈和麗江相距 1203 公里，打破了糾纏光子對傳輸距離的紀錄。

去年中旬的這次測試和搭建起來的系統(tǒng)，大多是為了證明概念的可行性。因為當(dāng)時報告的墨子號和地面接收站之間的數(shù)據(jù)傳輸率太低了，無法支持實際的量子通信。墨子號晶核每秒傳輸過程中產(chǎn)生的六百萬個糾纏對中，只有一對到達了地面的探測器，被地面基站上的聚光望遠鏡接受到，因為過程中光束需要穿過地球的大氣層會變?nèi)?。中國科技大學(xué)的潘建偉是團隊負責(zé)人，他從 2003 年起就在推動進行這項實驗。他把這個過程比作是探測到月球上一根火柴發(fā)出的單個光子。即使如此，他也認為，墨子號傳輸糾纏光子對的效率比使用最好的通信光釬快了一萬億倍。他說，我們做了一件在沒有墨子號的情況下絕對不可能完成的事情。潘建偉表示，接下去的五年，量子科學(xué)試驗衛(wèi)星項目將發(fā)射更多更實用的量子通信衛(wèi)星。

盡管現(xiàn)在潘建偉和他的團隊對墨子號和后續(xù)發(fā)射上空的衛(wèi)星的規(guī)劃是最終能夠分配量子密鑰，但他們最初的目標(biāo)其實很簡單，那就是證明愛因斯坦是錯的。

量子理論有一種特性，叫量子糾纏，簡單來說，兩個處于糾纏狀態(tài)的量子，無論這些粒子之間相隔多遠，只要一個測量了其中一個粒子的狀態(tài)，另外的粒子就算遠在天邊也會立刻隨之改變狀態(tài)不過，愛因斯坦并不買賬，并譏諷這個現(xiàn)象為“幽靈般的超距作用”。愛因斯坦之所以無法接受，因為這似乎暗示了信息或許可以在粒子之間超光速傳遞，違反了他狹義相對論中所設(shè)定的宇宙速度極限。于是，愛因斯坦和其他人認為，或許糾纏態(tài)的粒子共享某個“隱變量”，這些變量無法通過實驗獲得，但測量時可以決定粒子接下去的行為。1964 年，物理學(xué)家約翰·貝爾想出了一個方法來測試愛因斯坦的想法。他計算出了一個物理學(xué)家統(tǒng)計學(xué)意義上可以測量的和糾纏粒子有關(guān)的隱變量的極值。如果實驗證明這個極值可以被超過，那么愛因斯坦關(guān)于隱變量的想法就是錯的。

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20世紀 70 年代以來，物理學(xué)家在不斷擴大的時空范圍內(nèi)進行了貝爾實驗，都證明愛因斯坦至少在這一件事上，是確實搞錯了，糾纏的粒子確實超過了貝爾設(shè)定的嚴格的極值。之前，最具有決定性意義的一次測試發(fā)生在 2015 年的荷蘭。當(dāng)時，代爾夫特理工大學(xué)的一個團隊解決了幾個潛在的困擾之前實驗的漏洞。雖然是小概率事件，但這些漏洞可能使實驗者錯過發(fā)現(xiàn)隱變量。2015 年的實驗包含了分隔稍稍超過一公里遠的糾纏粒子。而墨子號對糾纏光子的傳輸是在相距超過 1000 公里的地面基站之間進行的，這是迄今為止最具有說服力的貝爾實驗。和之前一樣，這兩次實驗都證明，愛因斯坦錯了。量子領(lǐng)域仍然充滿著詭異，沒人能完全理解其中的原理，只知道它確實發(fā)生了。（汪詰注：貝爾實驗的成功不代表狹義相對論錯了，只代表“隱變量”假說是錯的，科學(xué)家也從理論上證明了，量子糾纏效應(yīng)并不能實現(xiàn)信息的超光速傳遞。）

德州大學(xué)的物理學(xué)家斯考特·阿倫森表示，任何接受量子理論的人都不會懷疑量子糾纏會在超過 1200 公里的距離間產(chǎn)生，甚至可以說在無限長的距離內(nèi)都可能產(chǎn)生，但看到有實驗確切證明了這一點，還是非常棒的。他還說，我們現(xiàn)有的知識并不能說明量子通信這個目標(biāo)是無法實現(xiàn)的，潘建偉的這次試驗很重要，并不是因為它是石破天驚預(yù)料之外的，也不是因為它推翻了過去的認知，而是因為它是多年以來努力工作獲得的讓人滿意的結(jié)果。

潘建偉的這項工作開始于上世紀 90 年代，當(dāng)時他是奧地利因斯布魯克大學(xué)物理學(xué)家安東·澤林格實驗室的一名博士研究生。澤林格是潘建偉的博士導(dǎo)師。他們親密合作，一起測試并進一步發(fā)展了量子通信的想法。潘建偉于 2001 年回到中國，建立了自己的實驗室。巧的是，澤林格也在位于維也納的奧地利科學(xué)院創(chuàng)辦了自己的實驗室。接下去的七年，他們在打破糾纏光子對的傳輸紀錄上激烈競爭，競爭的內(nèi)容包括間隔的距離更大、條件更極端，并要求實驗以地面為基礎(chǔ)進行。他們兩人還在這段時間內(nèi)說服了自己國家的航天局，給發(fā)射衛(wèi)星、從太空測試這項技術(shù)開了綠燈。但澤林格的提案毀在了歐洲航天局的官僚主義上，而潘建偉的提案馬上就獲得了中國國家航天局的支持。最后，澤林格選擇了與他的學(xué)生再次合作，而不是展開競爭?，F(xiàn)在，奧地利科學(xué)院是“量子科學(xué)試驗衛(wèi)星”項目（QUESS）的合作方。更讓人期待的是，這個項目計劃用墨子號來進行一次洲際間的國際量子密鑰分配試驗，地面基站會建在北京和維也納。

澤林格說，我很高興墨子號進展順利，但我也意識到，歐洲和其他國家錯過了量子通信這個巨大的機會。

其實這些年，其他的研究人員和機構(gòu)都在爭相趕上，推動政府給與更多的資金，用來進行地面和太空的進一步實驗。這其中，有很多人認為，墨子號的成功是他們一直期盼的催化劑，能推動政府對這項研究給與更多的便利。加拿大滑鐵盧大學(xué)，這個名字有點逗，但確實大家就是這么叫的，這所大學(xué)的物理學(xué)家托馬斯·堅尼威沒有參與墨子號的研究，他表示，這次試驗確實是一次重要的里程碑事件，因為如果我們將來要建造一個量子互聯(lián)網(wǎng)，我們就需要在這樣的長距離間發(fā)送糾纏態(tài)的量子。他說，這項研究對所有科學(xué)界的人來說都是具有開創(chuàng)性意義的，每個人都可以指著它說，看到?jīng)]，這行得通！

堅尼威和他的合作者正在從頭開始尋找一種以太空為基礎(chǔ)的研究方法。目前，他們正在和加拿大航天局合作，計劃最快 2021 年能發(fā)射一枚比墨子號更小且相對簡單的衛(wèi)星，作為通用的接收器重新分配從地面站發(fā)出的糾纏態(tài)的光子。而在新加坡國立大學(xué)，由物理學(xué)家亞歷山大·林領(lǐng)導(dǎo)的一個國際合作項目已經(jīng)發(fā)射了比較省錢的鞋盒大小的立方體衛(wèi)星，用于制造、研究、甚至傳輸“相關(guān)的”光子對，他們研究的這種狀態(tài)接近量子糾纏，但還不是完整意義上的量子糾纏。美國伊利諾伊大學(xué)的奎特正在用來自 NASA 的撥款開發(fā)一種能夠測試量子通訊的裝置，這種量子通訊可能會在未來的某一天用到國際空間站的超廣角，也就是多個光子對的同時糾纏。

所有研究中最引人注目的是來自德國馬克思·普朗克光學(xué)研究所的一個科研團隊。他們正在開發(fā)量子通信協(xié)議，用于已經(jīng)可以商用的太空中的激光系統(tǒng)，這些系統(tǒng)已經(jīng)在歐洲哥白尼衛(wèi)星和太空數(shù)據(jù)高速路衛(wèi)星上使用。這個團隊使用了其中的一個系統(tǒng)，成功編碼，并通過地球靜止軌道衛(wèi)星發(fā)射的光子，把量子的簡單狀態(tài)發(fā)送給了地面基站，這顆衛(wèi)星距離地球上空約 38000 公里。團隊領(lǐng)導(dǎo)者馬奎德特表示，這項技術(shù)并不依賴量子糾纏，和中國的“量子科學(xué)試驗衛(wèi)星”項目（QUESS）完全不同，但只需要小小的升級，它就可以在五年內(nèi)被用于安全通訊中量子密鑰的分配。他們的研究成果發(fā)布在了《光學(xué)設(shè)計》（Optical）期刊上。

馬奎德特說，我們的目的是真的找到一條捷徑，讓衛(wèi)星的量子密鑰分配這樣的事情在經(jīng)濟上可行、技術(shù)上可用，并且這一過程能很快實現(xiàn)。他表示，工程師們花了 20 年，努力工作才造出了這些系統(tǒng)，所以升升級很簡單，一切從頭設(shè)計并不劃算。如果你能指望得上太空里已經(jīng)有的經(jīng)過時間檢驗的設(shè)備，這就是一個巨大的優(yōu)勢，因為在太空里能正常運作是件很難的事，通常得花個五到十年才能做到。

馬奎德特和其他研究人員猜測，這個領(lǐng)域比公開發(fā)表的論文來得復(fù)雜也先進得多，美國和其他一些國家可能對其中重要的發(fā)展做了官方層面的保密工作。我們或許已經(jīng)來到了量子通信的時代。馬奎德特表示他有一個同事開了個玩笑說，美國的沉默恰似一聲驚雷。美國人可是自由空間衛(wèi)星和量子密鑰分配的行家，他們在洛斯阿拉莫斯國家實驗室和其他地方都有研究團隊，但突然間，就不再公布進展了。我們認為他們不再發(fā)聲只有兩個可能，要么干砸了，要么干成了！

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以上就是《科學(xué)美國人》的那篇文章。我想，這篇文章可以很好地破除網(wǎng)上流傳的很多謠言，例如量子通訊是科學(xué)騙局，其他國家都不搞量子通訊，就中國人花大錢在搞之類的。

我想補充一下，存在一個廣泛的誤解，那就是量子通訊就是量子糾纏原理的應(yīng)用。實際上，量子保密通訊可以用到量子糾纏，也可以不用到量子糾纏。墨子號的量子通訊試驗和量子糾纏試驗其實是兩個不同的實驗，它的量子通訊只需要用到單光子密鑰分發(fā)，并不需要用到量子糾纏。它做的量子糾纏的實驗只是為了驗證理論的一項純試驗性質(zhì)的工作，是為后續(xù)的工作鋪路的。