潘建伟量子团队中的追星人：从青海“打怪兽”到南山密码本

落日沉入天山支脉西侧。

吴骋爬上三折铁梯到天台，拉下手闸，打开穹顶，几乎是一整条银河铺过他头顶。风终于吹散了云层，织女星在银河一侧，牛郎星在另一侧。

他看向北天极，找到北斗七星中最低的那颗天璇星的位置，约是今夜墨子号量子通信卫星出现在夜空的高度。

在新疆南山地面站，重山已经隔断城市灯火，吴骋和李海兵在等墨子号来。对昼夜颠倒做量子卫星通信实验的人来说，凌晨是最需要清醒的时刻。

8月10日，墨子号在太空中飞行的第359天，潘建伟带领的中国科学技术大学量子通信团队实现了“三箭齐发”的诺言。

继墨子号千公里级量子纠缠分发登上《科学》杂志封面后，英国《自然》杂志发布了潘建伟团队的另外两项成果：第一次实现了星地量子密钥分发，跨越千公里距离，从卫星向地面发送无法破解的“密码本”；在地星之间验证了“隐形传态”的理论，第一次将量子态由地面隐形传输至卫星上。

至此，“墨子号”量子卫星提前实现了全部三大既定科学目标。潘建伟团队希望，这将为中国继续引领世界量子通信技术发展、空间尺度量子物理基本问题检验，奠定科学与技术基础。

全球量子通信的研究者，一直在地面通信距离上争夺“首次”和“第一”。随着中国把第一颗量子卫星送入太空，天空拉开了新的战局。

潘建伟曾表示，量子通信能够防范监听，实现通信保密安全。到2030年，希望中国能率先建成全球化的广域量子通信网络。

2016年8月16日，世界第一颗量子卫星“墨子号”升空的那一夜，廖胜凯在甘肃酒泉卫星发射基地监控着发射塔架上的卫星状态，耳边只有轰轰隆隆的巨响，遗憾是没能亲眼看到墨子号升空。任继刚在西藏海拔5100米的阿里观测站待命，为星地对接做最后准备。阿里站将是墨子号第二个对接的地面站，卫星以每秒8公里的速度划过夜空时，他祈祷能顺利“抓住”这枚量子星。

李海兵和同事们站在茫茫戈壁上，在火箭引擎巨大的轰鸣声中，他们全程静默。1.5公里外，火箭终于载着墨子号升上夜空。

那一夜之后，他们都成了追量子星的人。

南山南：来自卫星的防监听“密码本”

入夏几场雨后，新疆南山的草已经疯长到半人多高。在量子通信地面站小楼四围，紫色风信子和浅蓝风铃草铺满山坡，鹰在荆棘开出的白花上空盘旋。

夕照渐渐从草场上消失。如果能劈散这一束夕阳余晖，劈到粒子不可再分，那么组成一束光的最微小粒子，就被称为光量子。对光量子振动的不同形态编码后完成分发，能够在收发双方生成一串量子密钥，用来加密信息。

保密，是量子通信、量子密钥分发的核心功能。

2013年，美国前特工斯诺登揭开美国“棱镜计划”，而后逃亡俄罗斯。这场美国国家安全局实施的窃听计划震骇了美国社会，邮件、通话、视频信息，都暴露在了电子监听之下。与此同时，通信网络却通过手机、电脑、银行交易、亲友通信……渗入日常生活的每个毛孔。

李海兵在南山站做卫星密钥分发的实验。他通常在黄昏时去地面站开始工作，夏天荆棘刺穿衣裤，半人高的草丛中已经踏出两条小径，冬天时候，一步一步陷在二十公分的白雪里。

南山的夜安静如与世隔绝。李海兵清楚记得荒草生长的速度，深夜四下只有自己发出的声响，和一只看见手电光亮就狂吠一路的家犬。

墨子号会从夜空发下一串量子密钥。光量子细小到不可再分，不能被复制，而任何第三方的监听，都会引起光子的变化，从而被察觉。因此从理论上来说，是可以建立完美防范监听的“密码本”。

然而量子密钥分发有一个缺点—如果传输效率太低将无法成功获得密钥—光纤中单光子的传输损耗随距离增大而指数增加。目前单光子在光纤中传输的极限约404公里，而后衰减殆尽。根据数据测算，通过1200公里的光纤，即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器，也需要数百万年才能建立一个比特的密钥。

已建成的量子通信京沪干线使用传统光纤。2000余公里路途中设有32个可以信赖的中继站，以保证量子密钥的持续传递。但是北京到乌鲁木齐有近3000公里路，中国有960万平方公里的广阔国土。传输跨度太大时，使用光纤与中继站作为通道，并不是最安全理想的方案。

李海兵在地面站熬过午夜，如果他能在观测云层的望远镜中看到一条完整银河，这意味着天气晴好。当墨子号划过夜空的时候，他就可以用望远镜发出红色的信标光，在晴朗的夜空中锁定这颗量子星。

量子卫星的计划始于2003年，来自潘建伟的构想。之所以需要卫星，是因为光子在太空中传输损耗更低，通过卫星的辅助可以大幅度扩展量子通信距离。同时，由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势，是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码最有希望的途径。

李海兵告诉澎湃新闻（www.thepaper.cn），2011年，他在网上看到中国科大上海研究院的招聘，成为团队的一员。但随着对量子卫星通信项目的逐步了解，他才意识到自己加入的是一个已耗时近十年、意在改变通信加密系统的庞大工程。

2016年，潘建伟团队将第一颗量子卫星送上距离地球500公里的轨道。此前，团队已在河北兴隆、新疆南山、青海德令哈、西藏阿里、云南丽江建立了5个地面通信站。实验首先定下的三个目标，分别是基础的千公里量子纠缠效应，极具应用前景的卫星量子密钥分发，和探索量子不可思议的“隐形传态”现象。这将是为在全球竞争中保持领先，奠下关键基础的一步。

当夜2点32分，墨子号如约从新疆南山过境。

地面站与卫星信号的“天地对接”，是量子卫星通信最大的难关之一。这颗量子星以每秒8公里的速度划过夜空，要实现与地面的双向锁定并传输光子，好比在万米高空的飞机上，往地面的一个存钱罐里扔旋转的硬币，需要准确地将硬币投入储蓄罐的狭小入口。李海兵每夜最担心的事情，就是怕“跟不上”墨子号。

为了实现星地之间这轻轻一握手，量子通信团队已付出了十余年光阴。

“打怪兽”：造外国人没有的量子星

2010年，任继刚有一段时间，住在中国最大湖泊青海湖的湖心岛上，一间尼姑庵的客房里。

在送量子卫星上天前，潘建伟团队需要在地面进行测试——以证明这颗卫星在工程上是可行的。研究团队翻遍了中国地图，发现中国最大湖泊的中心恰有一个小岛。从青海湖北岸，到青海湖南岸，也恰好是一百余公里的长度，湖面上没有任何遮挡。

但在这座岛上，只有一座藏传佛教的尼姑庵。任继刚和他的同事白天走去湖边的一口井，打水洗漱做饭，晚上做实验。隔几天湖上会泊来一艘船，送来食物和补给。

实验室搭在山上的帐篷里。风雨大作的时候，几个科研人员各自抱着实验室的一根柱子，撑过几个小时。冬天下雪的时候，为了让实验室的棚顶不被积雪压垮，只能几个人各抱一只扫帚，隔一会儿扫扫棚上积雪。

在这一片没有遮挡的湖面上，潘建伟团队首次实现了百公里级的量子纠缠分发和隐形传态。这两项成果在2012年登上了英国《自然》杂志。量子纠缠分发是指一对纠缠光子，不管相隔多远，一方出现变化，另一方也会出现同样的变化。隐形传态则是指通过一对纠缠光子的帮助，将未知量子态传输到远方，而无需传送信息载体本身。

青海湖的地面实验耗时约两年，印证了量子通信卫星的可行性。而后，团队开始造世界上第一颗量子卫星。

卫星载荷的主任设计师廖胜凯也曾经觉得不可能，“最开始听到说，我们要把光子，一个一个编码，从天上发个一千多公里发到地面，然后收起来，再解码，确实是认为也不太可能，觉得很难。”

廖胜凯大学在中国科大修读电子学，那时他以为自己会成为一个工程师。制作类似手机、电脑等电子系统，把各种各样功能的元器件组装到一起，按照自己设计的方式运转起来，廖胜凯觉得，这样的人生，也就很好啊。

廖胜凯告诉澎湃新闻（www.thepaper.cn），在大学的时候，他也学过量子力学，但很多地方不是太理解，觉得太难了。他同时也想着，以后做一个电子学工程师，估计就不需要用量子力学知识了。

而人生如廖胜凯形容，总是“因缘际会”。

2007年，为了实现量子卫星的设想，潘建伟与王建宇结识。王建宇任中科院上海技术物理研究所所长，承担并完成了多项国家探月工程和卫星工程。

廖胜凯彼时在王建宇门下攻读博士，量子卫星终须落实成一项工程，于是“潘老师是科学家，王老师则是工程师。”后来王建宇成为了墨子号工程常务副总师，廖胜凯则担任卫星上装载设备的主任设计师，并主要负责量子密钥分发的研究。

“把一颗精密仪器卫星送到天上去之后，最大的问题是如果出现故障你不能派人去修。”廖胜凯回想项目评估的情形，“太难了，风险太大，如此精密的设备在太空中不能修理，太空中冷热交替，发射时的振动，宇宙粒子辐射会造成直接伤害等等。”

廖胜凯把送卫星上天的过程，形容为“打怪兽”。他们模拟出恶劣的太空环境“考验”卫星：极端高低温交替，元件温度有时高达近百度，而后又跌入零下，以及剧烈的振动与冲击……

廖胜凯说，他知道任继刚在西藏阿里时，气温零下二十度，手机一拿出来就自动关机。“可是卫星是不能关机的，要在各种严酷的环境下，都能够正常工作。”

廖胜凯性格直爽，说话快速果决。但设备真的在恶劣条件下出现损坏的时候，他们又焦虑到不能入睡，连夜检测问题。李海兵记得凌晨两三点时，去测试现场找廖胜凯，总是能找到正在忙碌的他。

也是在青海湖，团队用热气球模拟卫星，用卡车模拟地面基站，终于在地面证明了星地对接的可行性。

到青海实验完成的时候，量子卫星通信研究团队也基本组建完毕。主任设计师印娟自中国科大本科时期就加入了项目，主攻量子纠缠分发，任继刚负责隐形传态研究，廖胜凯则主攻卫星载荷与密钥分发。

阿里：瞬移太空的“幽灵”量子态

西藏阿里站海拔5100米，四季如冬。

2013年，为量子星地面站选址，任继刚第一次登上阿里天文观测台。

“我从来没有见过那么多的星星。”

任继刚告诉澎湃新闻（www.thepaper.cn），看到那片”没有被人类文明影响过”的星空时，他突然明白，为什么古人看到星空时会内心震动，穷极一生去探索星辰运转的规律。

却又只是千年来学童朗朗诵读的四句：天地玄黄，宇宙洪荒，日月盈昃，辰宿列张。

海拔5100米的阿里观测台实在太冷，内心震撼的任继刚没一会，就不得不躲到了越野车里吹暖气。此后，阿里成为了唯一有量子“隐形传态”实验任务的地面站，而他军大衣外裹着棉被，断断续续，在阿里看了一年的星星。

在西藏阿里，被称为众神居所的冈仁波齐主峰四面，冈底斯山发育出四条河流，东面马泉河，南面孔雀河，西面象泉河，北面狮泉河。它们奔涌而下，流淌成恒河，澜沧江，印度河。

任继刚和阿里团队平日住在狮泉河镇，每天从海拔4300米的小镇，爬山到5100米的实验室。在五个地面通信站中，阿里站是唯一建立通向太空上传链路的地面站。因为青藏高原的高海拔与澄净大气，与从上海发光子上天相比，“由于空气稀薄能够在大气层少走近一半的路程”。

对于任继刚负责研究的隐形传态，美国流行的科幻片《星际迷航》有了更为夸张的想象：将一个人打散成为细小的原子，再通过隐形传态把原子的状态传送到空间中的任意地方，在那里将一堆原子复原成一个人，完成宇宙之中的瞬间移动。

《星际迷航》中的瞬间移动仍旧太过科幻。但任继刚在阿里站验证了光量子的不可思议现象：一对相互纠缠感应的光子，一个在地面，另一个发射到卫星上。地面上的一枚光子与另一枚光子互相作用，坍缩消失，其量子态却如“幽灵”一般，向卫星飞跃千里，瞬间让卫星上的光子获得了地面上光子的状态。

哪怕验证了这个名为“隐形传态”的现象，任继刚仍然觉得不可思议，“为什么信息的载体根本没有动，也没有出现在信道之中？”

任继刚与量子的结缘，可以回溯到1997年。那一年，潘建伟发表了第一篇隐形传态的实验论文。那一年，任继刚做过一张又一张枯燥的高考练习卷，做到了一张计算机被量子计算取代的阅读理解。

“可能人一生被触动，就是因为一件很小的事情”。任继刚记得那篇科普文章很短很短，可是那一点备战高考中意外的快乐萦绕不去，于是秋天时候，任继刚成为了清华物理系的学生。

2005年，任继刚听说“潘老师团队缺人”，就去敲开了后来担任墨子号科学应用系统总设计师的彭承志的门说，“彭老师我想到这来。”

十几年后，任继刚已熟悉西藏夜空星辰运转的固定轨迹，而他却感叹人生的轨迹难以捉摸。2005年，彭承志对任继刚说，“那你就来吧。”

于是，他们几个人，一间空房子，用潘建伟提供的一笔资金启动了最初的实验。后来任继刚长年跑遍西北西南，满面风尘，却总有心无旁骛做一件事的快乐。

当时，任继刚和同事曾想效仿狼烟传信，在北京八达岭长城的烽火台上做隐形传态实验，最终因为保护文物未能遂愿。于是他们只能在宾馆的楼顶上，用超过两年的时间，完成了16公里的隐形传态。而在青海湖上，他们用两年时间，完成了一百公里的隐形传态实验。

墨子号上天后，任继刚在西藏阿里站第一轨就对上了卫星，高兴地开可乐庆祝。

阿里站十分“高冷”，电力紧缺，任继刚和同事们都不敢开空调。“走出实验室的时候，风刮过来……哎呦喂。”他们伸出手调试设备，不能戴手套，皮肤仿佛下一秒就要和机器冻粘在一起。

这还只是开始。卫星实验终究更为艰难。任继刚在青海湖做地面实验的时候，点对点，固定不动。但是当他在西藏阿里的山上追卫星，卫星的速度达到每秒8公里，转瞬即逝，分秒必夺。

任继刚说，在地面做实验的时候，“只要人熬得住，我都可以做。”可是每夜墨子号过轨只有300秒，这就难得多了：“只有系统足够稳定，保证每一个300秒都能收集到预期的数据，才能保证回家过个年”。

在西藏的冬天，他们熬过一个一个深夜，等待墨子号划过夜空。任继刚的妻子是一名军人，于是他们在西藏最近的距离，是他在阿里山上追量子星，而妻子在拉萨羊八井军演。任继刚有时会想起航天人常说的一句话，“要做一个好的航天人，先决条件是有一个好的妻子。”

天地一体化量子通信

有很多个夜晚，等到所有日光消失后，吴骋也在夜空寻找一条完整的银河，等待墨子号从天空中划过的短短300秒。

吴骋在中国科大上海研究院读博士二年级。从2016年起，他在河北兴隆、新疆南山、青海德令哈，都看过璀璨星河里的一颗量子星，熬夜做实验。他记得，墨子号升空之初，卫星过轨时的绿色光芒意味着天地对接成功，是足以让人高兴到手舞足蹈的。

吴骋在南山站外看墨子号穿过星河：“真的是夜空中最亮的星，没有星星比它更亮了。”

2016年8月25号，墨子号第一轨从河北兴隆过境。廖胜凯记得，彭承志当时在西安卫星测控中心，直接用手机打了视频去兴隆地面站现场，说“让我看看量子星长啥样”

“哇好亮。”

在那之后，他们把墨子号称为“夜空中最亮的星”。

2016年12月，任继刚在阿里做完最后一轨实验，通过微信向彭承志报告。那时廖胜凯也差不多拿到了所有的实验数据，只待完成论文送审，“到了可以松一口气的时候”。

2017年6月雨季到来后，任继刚回到上海。由于常年跑外场的科研人员“身体发福严重”，潘建伟发起了三个月减肥数公斤的倡议，并在4楼设立一个小型健身房。任继刚的办公室在3楼，他自己买了沙袋、拳击手套，开始打有氧搏击和自由搏击，喜欢称自己“拳王阿里”。

等到9月，西藏的冬日降临冈底斯山，任继刚就要“再上阿里”。他相信，墨子号的使命绝不止于发布的这三项成果。

任继刚希望，第一颗升空的量子卫星会划开一个新的时代，人们会记得墨子号，就像记得苏联第一颗人造卫星升上天空，从而开启了天空的卫星时代。而墨子号印证了量子通信卫星的可行性，开启了量子通信乃至量子物理的空间时代。

廖胜凯说起2030年，建成天地一体化的量子通信系统的目标，“团队已经开始了为实现这一目标努力了，或许不用等那么久”。

他打完了送量子卫星上天这轮怪兽，又开始了新一轮的打怪兽：墨子号毕竟是一颗科研实验卫星，只能在晴朗的夜空传送光子，而将量子通信拓展到白天，将巨大的地面通信站变得简易便携，适宜民用，这都是一轮新的怪兽要打。

在墨子号余下一年的设计寿命中，量子通信团队还有许多设想希望实现。

2001年，潘建伟回国组建量子通信团队，时光已流过16年，距离量子卫星通信项目获批，过去了6年。距离二十世纪初，量子力学理论建立的群星璀璨时，已经过去了100多年。普朗克、海森堡、薛定谔等理论创立者，把自己的理论刻成了墓志铭。

2017年的元旦，彭承志、廖胜凯、任继刚和各个地面站的科研人员难得凑到了一起，在中国科大上海研究院的元旦晚会上，他们唱起了量子星版的《南山南》：

“你在地球的轨道里自由的飞，我在地面的山顶上冷风在吹……如果所有地面站连在一起，扫过夜空只为拥抱你。”

最后他们挥挥手，“一路顺风，我们的量子星。”

墨子号在天空飞行的第343天，吴骋在南山的夜空里，看到墨子号划出漂亮的轨迹，在300秒中，穿过云层，穿过北斗七星，穿过横贯天顶的银河。

而那一夜在天顶闪烁的星辰，不知有多少已经耗尽能量，湮灭在宇宙之中。唯有它们发出的光芒，在宇宙中飞行过亿万年，在那一刻抵达南山的夜空。