潘建伟团队的追星人：从青海打怪兽到南山密码本
夕阳西下，落在天山支脉的西边。
吴成爬上30%的铁*到屋顶，拉了拉手闸，打开了穹顶。几乎整个星系都遍布在他的头上。风终于吹散了云层。织女星在银河系的一边，牛郎星在另一边。
他向北天极望去，找到了北斗七星最低的位置，默拉克星，大约是今晚墨子量子通信卫星出现在夜空的高度。
在*的南山地面站，厚重的山脉切断了城市的灯火，吴成和李海兵正在等待墨子。对于那些日夜颠倒做量子卫星通信实验的人来说，清晨是最容易醒来的时候。
李海兵和吴成在*南山等待量子星穿过夜空。记者王映霞图
8月10日，在墨子太空飞行的第359天，中国科技大学的量子通信团队在潘剑伟的带领下实现了“一箭三雕”的承诺。
在墨子的1000公里量子纠缠分布登上《科学》杂志的封面后，英国杂志《自然》发表了潘剑伟团队的另外两项成果:第一次实现了星地量子密钥分布，跨越了1000公里的距离，并从卫星向地面发送了牢不可破的“密码本”；“隐形传送”的理论已经在地球恒星之间得到验证，量子态首次从地面传送到卫星。
到目前为止，“墨子”量子卫星已经提前实现了所有三个设定的科学目标。潘剑伟团队希望，这将为中国继续在发展量子通信技术和研究空间尺度量子物理的基本问题方面领先世界奠定科学技术基础。
全球量子通信的研究人员一直在争夺地面通信距离的“第一”和“第一”。随着中国向太空发射第一颗量子卫星，天空开启了一场新的战争。
潘剑伟曾经说过，量子通信可以防止监控，实现通信安全。到2030年，中国有望率先建设全球广域量子通信网络。
2016年8月16日，世界第一颗量子卫星墨子发射的当晚，廖胜凯正在甘肃酒泉卫星发射基地的发射塔上监控卫星状态。他的耳朵里只有隆隆的声音。不幸的是，他无法亲眼看到墨子下水。任纪刚在*海拔5100米的阿里天文台待命，为卫星-地面对接做最后准备。阿里站将是墨子的第二个对接地面站。当卫星以每秒8公里的速度穿过夜空时，他祈祷能顺利“抓住”量子星。
李海兵和他的同事站在茫茫戈壁上。他们在火箭发动机的轰鸣声中一路保持沉默。1.5公里外，火箭终于把墨子送上了夜空。
那晚之后，他们都变成了量子星。
南山:卫星反窃听“密码本”
经过几个夏天的降雨，*南部山区的草已经长到半人多高了。在量子通信地面站的小楼周围，紫色的风信子和淡蓝色的风信子覆盖着山坡，老鹰在荆棘丛中的白花上盘旋。
傍晚的太阳逐渐从牧场上消失了。如果你能分裂这束夕阳的余辉，直到粒子无法分离，那么组成一束光的最小粒子就叫做光量子。在对不同形式的光量子振动进行编码之后，可以完成分发，并且可以在发送方和接收方生成一系列量子密钥来加密信息。
安全性是量子通信和量子密钥分发的核心功能。
2004年，前美国特工斯诺登揭露了美国的“棱镜计划”，逃往俄罗斯。美国国家安全局实施的窃听计划震惊了美国社会。电子邮件、电话和视频信息都暴露在电子窃听之下。与此同时，通信网络通过手机、电脑、银行交易、与亲友的通信渗透到日常生活的每一个角落。
李海兵在南山站进行卫星密钥分发实验。他通常在黄昏时去地面站开始工作。夏天，荆棘刺穿了他的衣服和裤子。半高的草地上已经踏出了两条小路。冬天，他一步一步被困在20厘米厚的雪里。
南山的夜晚像与世隔绝一样宁静。李海兵清楚地记得杂草的生长速度，这是他在深夜发出的唯一声音，还有一只在手电筒灯光下吠叫的家犬。
记者蒋在*南山量子通信地面站滔滔不绝
墨子将从夜空中发出一串量子密钥。光量子非常小，无法复制。任何第三方的监控都会导致光子变化，从而被检测到。因此，从理论上讲，它是一个“密码本”，可以建立完美的防窃听保护。
然而，量子密钥分配有一个缺点——如果传输效率太低，就不能成功地获得密钥——并且单光子在光纤中的传输损耗随距离成指数增加。目前，单个光子在光纤中的传输极限约为404公里，然后完全衰减。根据数据计算，即使有每秒100亿次发射的单光子源和完美的探测器，也需要数百万年才能通过1200公里长的光纤建立一个一位密钥。
完成的京沪量子通信干线使用传统光纤。在2000公里的旅程中有32个可靠的中继站来确保量子密钥的连续传输。然而，从北京到乌鲁木齐有近3000公里，中国有960万平方公里的广阔领土。当传输跨度太大时，使用光纤和中继站作为信道不是最安全和理想的解决方案。
李海兵在地面站熬过了午夜。如果他能通过望远镜观察到一个完整的星系，那就意味着天气晴朗。当墨子穿越夜空时，他可以用望远镜发出红色的信标光，将量子星锁定在晴朗的夜空中。
墨子卫星的绿色轨道用于测绘量子通信南山地面站。
量子卫星计划始于2003年，由潘剑伟构想。需要卫星是因为光子在太空中的传输损耗较低，并且量子通信距离可以在卫星的帮助下大大扩展。同时，由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势，它们是在全球范围内实现超远距离实用量子密码的最有前途的方法。
李海兵告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn)说，2011年，他在网上看到了中国科技大学上海研究院的招聘，并成为团队的一员。然而，随着对量子卫星通信项目的逐渐了解，他意识到自己加入了一个耗时近十年的庞大项目，并打算改变通信加密系统。
2016年，潘剑伟团队将第一颗量子卫星送入距离地球500公里的轨道。此前，该团队已在河北兴隆、*南山、青海德令哈、*阿里和云南丽江建立了五个地面通信站。实验中设定的前三个目标是1000公里的基本量子纠缠效应，具有巨大应用前景的卫星量子密钥分配，以及对量子不可思议的“隐形传送”现象的探索。这将为在全球竞争中保持领先地位奠定重要基础。
那天晚上2点32分，墨子像承诺的那样穿过了*的南山。
地面站与卫星信号的“天地对接”是量子卫星通信的最大难题之一。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，就像在海拔10000米的飞机上，把一枚旋转的硬币扔进地面的储钱罐里。它需要准确地将硬币放入存钱罐的狭窄入口。李海兵每天晚上最担心的事情是他害怕“跟不上”墨子。
为了实现恒星和地球之间这种温和的握手，量子通信团队已经花了十多年的时间。
“击败怪物”:让外国人无法获得量子星
2010年，任纪刚住在中国最大的湖泊青海湖*岛上的一间尼姑客房里。
在将量子卫星送入太空之前，潘剑伟的团队需要在地面进行测试，以证明该卫星在工程上是可行的。研究小组搜索了中国地图，发现在中国最大的湖泊*只有一个岛屿。从青海湖北岸到青海湖南岸，恰好有100多公里长，湖上没有遮蔽物。
然而，这个岛上只有一个藏传佛教尼姑。任纪刚和他的同事们白天走到湖边的一口井边，打水、洗澡、做饭，晚上做实验。每隔几天就会有一艘船来湖边运送食物和补给。
实验室建在山上的一个帐篷里。当风和雨刮得很大时，几个研究人员各自拿着实验室的柱子站了几个小时。冬天下雪时，为了防止实验室的屋顶被雪压坏，只有几个人各自拿着扫帚，隔一段时间清扫一下小屋上的雪。
任纪刚在*阿里做了实验。任纪刚提供的图纸
潘剑伟团队第一次在这个未被覆盖的湖面上实现了100公里级别的量子纠缠分布和隐形传态。这两项结果发表在2012年英国杂志《自然》上。量子纠缠分布是指一对纠缠光子。不管他们相距多远，一边会改变，另一边也会改变。隐形传送是指在一对纠缠光子的帮助下，将未知量子态传送到远处，而不传送信息载体本身。
青海湖地面实验历时两年左右，证明了量子通信卫星的可行性。然后，团队开始建造世界上第一颗量子卫星。
卫星有效载荷的总设计师廖胜凯曾经认为这是不可能的。“起初，我们听说我们会将光子一个接一个、一个接一个地从1000公里外的天空发送到地面，然后把它们收起来并解码。这真的是不可能和困难的。”
廖胜凯大学在中国主修电子学。那时，他以为自己会成为一名工程师。制造手机、电脑等电子系统，组装各种功能的部件，按照自己的设计进行操作，廖胜凯觉得这样的生活会很好。
廖胜凯告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn)说，他在大学的时候，也学过量子力学，但是很多地方不太理解，感觉太难了。与此同时，他还认为，作为未来的电子工程师，估计将不再需要量子力学知识。
然而，生活，正如廖胜凯所描述的，总是“一个场合”。
2007年，为了实现量子卫星的想法，潘剑伟认识了王建宇。任命王建宇为中国科学院上海技术物理研究所所长，承担并完成多项国家月球探测工程和卫星工程。
廖胜凯当时正在王建宇手下攻读博士学位。量子卫星最终必须作为一个工程项目来实施，所以“潘老师是科学家，王老师是工程师。”后来，王建宇成为墨子项目的副总工程师，廖胜凯担任卫星装载设备的总设计师，主要负责量子密钥分配的研究。
“将精密仪器卫星送入太空后，最大的问题是如果有故障，你不能派人去修理。”廖胜凯回忆了对该项目的评估。“这太困难和冒险了。这种精密设备不能在太空中修理。冷和热在太空中交替出现。发射过程中的振动和宇宙粒子辐射会造成直接损害等。”
廖胜凯在酒泉卫星发射基地。廖胜凯提供图纸
廖胜凯将卫星上天的过程描述为“与怪物战斗”。他们模拟恶劣的太空环境来“测试”卫星:极高和极低的温度交替出现，组件温度有时高达接近百度，然后降至零度以下，以及严重的振动和冲击...
廖胜凯说，他知道任纪刚在*阿里的时候，气温是零下20度，手机一拿出来就会自动关机。“然而，卫星不能关闭。他们应该能够在各种恶劣的环境下正常工作。”
廖胜凯性格直爽，说话迅速果断。然而，当设备在恶劣条件下损坏时，他们非常焦虑，以至于无法入睡，并连夜测试问题。李海兵记得，当他在凌晨两三点钟去考场找廖胜凯时，他总是很忙。
同样在青海湖，该团队用热气球模拟卫星，用卡车模拟地面基站，最终证明了卫星与地面对接的可行性。
到青海实验完成时，量子卫星通信研究小组已经基本完成。导演设计师尹娟从中国科技大学本科开始就参与了这个项目。他专注于量子纠缠分布，任纪刚负责隐形传送的研究，廖胜凯专注于卫星有效载荷和密钥分布。
阿里:瞬态空间的“鬼”量子态
*的阿里站海拔5100米，全年都是冬天。
2013年，任纪刚首次登上阿里天文台，为量子星地球站选址。
“我从未见过这么多星星。”
任纪刚告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn)说，当他看到“不受人类文明影响”的星空时，他突然明白了为什么古人看到星空时会感到震惊，并花了一生的时间探索星星的规律。
然而，这只是朗朗，一个几千年的小学生读出的四句话:天地是暗黄色的，宇宙是广阔的，太阳和月亮是满的，天空是满的，天空是满的。
海拔5100米的阿里天文台太冷了，震惊的任纪刚很快不得不躲在越野车里散热。从那以后，阿里成为唯一一个进行量子“隐形传送”实验任务的地面站，而他的军大衣被裹在被子里，一年来他断断续续地观察着阿里的星星。
在*阿里，冈仁波切的主峰，即众所周知的神的居所，被冈底斯山脉的四条河流环绕，即东部的马泉河、南部的孔雀河、西部的香泉河和北部的石泉河。它们冲下并流入恒河、澜沧江和印度河。
任纪刚和阿里的团队通常住在狮泉河镇，从海拔4300米的小镇爬到海拔5100米的实验室。在五个地面通信站中，阿里站是唯一一个建立了太空上行链路的。由于青藏高原的高海拔和清新的大气，与上海的天空相比，“由于空气稀薄，你可以在大气中获得一半的距离。”
至于任纪刚负责研究的隐形传送，美国流行科幻电影《星际迷航》有一个更夸张的想象:将一个人分解成小原子，然后通过隐形传送将原子状态传送到空间的任何地方，在那里一堆原子被还原成一个人，完成宇宙中的瞬时运动。
《星际迷航》中的瞬间移动仍然过于科幻。然而，任纪刚在阿里站验证了不可思议的光量子现象:一对纠缠的诱导光子，一个在地面上，另一个在卫星上。地面上的一个光子与另一个光子相互作用，坍缩并消失，但它的量子状态就像一个“幽灵”，飞向数千英里外的卫星，瞬间让卫星上的光子获得地面上光子的状态。
任纪刚和其他研究人员在*阿里天文台与墨子合影。任纪刚提供的图纸
即使在验证了这种被称为“隐形传送”的现象之后，任纪刚仍然觉得不可思议，“为什么信息的载体根本不移动，也不出现在通道中？”
任纪刚与量子的联系可以追溯到1997年。那一年，潘剑伟发表了第一篇关于隐形传态的实验论文。那一年，任纪刚做了一个又一个无聊的考试练习，并获得了阅读理解，其中计算机被量子计算所取代。
“一个人的生命有可能因为一件很小的事情而受到影响”。任纪刚记得科普文章很短，但高考准备的惊喜却挥之不去，于是在秋天，任纪刚成了清华的一名物理学生。
2005年，当听说“潘老师的团队缺人”时，他敲开了后来成为墨子科学应用系统总设计师的的门，说:“彭老师，我想来这里。”
十多年后，任纪刚已经熟悉了*夜空中星星的固定轨迹，但他为难以捉摸的生命轨迹感到惋惜。2005年，彭承志对任纪刚说，“那你可以来。”
于是，他们中的一些人，一个空房子，用潘剑伟提供的一笔钱开始了最初的实验。后来，任纪刚在西北和西南各地旅行了许多年，他的脸上布满了灰尘，但他总是乐于做一件事而不分心。
当时，任纪刚和他的同事想以狼烟为榜样传递信息，并在北京八达岭长城的烽火台上做了一个隐形传送实验。最终，由于对文物的保护，他们没有这样做。结果，他们在两年多的时间里完成了酒店屋顶16公里的传送。在青海湖，他们在两年内完成了100公里的传送实验。
墨子发射后的第二天，任纪刚在*阿里站的第一个轨道上发射了一颗卫星，并用可乐庆祝。
阿里站非常“冷”，而且缺电。任纪刚和他的同事不敢打开空调。“当我走出实验室时，风来了...哎哟！”他们伸出手去调试设备，不能戴手套。皮肤似乎冻结了，下一秒钟就和机器粘在一起了。
这只是开始。毕竟卫星实验更加困难。当任纪刚在青海湖做地面实验时，他是点对点和固定的。但是当他在*阿里的山上追逐一颗卫星时，卫星的速度达到了每秒8公里，这是短暂的，每一分钟都很重要。
任纪刚说，在地面上做实验时，“只要人们能忍受，我就能做。”然而，每晚墨子穿越赛道的时间只有300秒，这要困难得多:“只有当系统足够稳定，能够保证每300秒收集一次预期的数据，我们才能保证回家一年。”
在*的冬天，他们彻夜不眠，等待墨子穿越夜空。任纪刚的妻子是一名士兵，所以他们在*最近的距离是在他妻子在拉萨羊八井进行军事演习时，他在阿里山追逐量子星。任纪刚有时会想起宇航员经常说的一句话，“要成为一名优秀的宇航员，前提是要有一个好妻子。”
天地一体化量子通信
有很多个夜晚，当所有的阳光都消失了，吴成也在夜空中寻找一个完整的星系，等待墨子穿过天空的短短300秒。
吴成是科大上海研究所的大二学生。从2016年开始，他在河北兴隆、*南山和青海德令哈的星光大道上看到了一颗量子星，并彻夜不眠做实验。他记得在墨子升空之初，当卫星通过轨道时，绿灯意味着天地成功连接，这足以让人高兴地起舞。
吴成在南山站郊外看着墨子穿越银河:“这真是夜空中最亮的一颗星。没有一颗星星比它更亮。”
2016年8月25日，墨子的第一条足迹穿越河北兴隆。廖胜凯记得当时彭承志在Xi卫星测控中心。他直接用手机给兴隆地面站拍了一段视频，说:“让我看看量子星是什么样子。”
“哇，太亮了。”
此后，他们称墨子为“夜空中最亮的星星”
南山地面站发出红色信号灯与墨子对接。澎湃新闻记者姜
2016年12月，任纪刚完成了他在阿里的最后一次实验，并通过微信向彭承志报告。当时廖胜凯也拿到了几乎所有的实验数据，只等着完成论文并提交审查，“是时候松一口气了”。
2017年6月雨季过后，任纪刚回到了上海。由于常年跑外场的研究人员“严重发胖”，潘剑伟发起了一项在三个月内减掉几公斤体重的倡议，并在四楼建了一个小健身房。任纪刚的办公室在三楼。他买了沙袋和拳击手套，开始打踢拳和跆拳道。他喜欢称自己为“*·阿里”。
当*的冬天在九月来到冈底斯山时，任纪刚将“再次去阿里”。他认为墨子的使命不仅仅是这三项成就。
任纪刚希望发射的第一颗量子卫星将开创一个新时代。人们会记得墨子，就像苏联的第一颗人造卫星升到天空，从而开启了天空的卫星时代。墨子证明了量子通信卫星的可行性，开启了量子通信甚至量子物理的太空时代。
*南山星空下的望远镜。澎湃新闻记者王映霞
廖胜凯谈到了到2030年建立天地一体的量子通信系统的目标。“团队已经开始努力实现这个目标，也许不会花太长时间。”
他完成了向天堂发射量子卫星的任务，并开始了新一轮的战斗:毕竟，墨子是一颗科学研究和实验卫星，它只能在晴朗的夜空中传输光子，同时将量子通信扩展到白天，使巨大的地面通信站变得简单便携，适合民用。这是新一轮的战斗怪物。
在墨子设计生涯的最后一年，量子通信团队仍然有许多想法要实现。
2001年，潘剑伟回到中国组建量子通信团队。量子卫星通信项目获得批准已经16年零6年了。自20世纪初量子力学理论由灿烂的恒星建立以来，100多年过去了。普朗克、海森堡、薛定谔和其他理论创始人在墓志铭中刻下了他们自己的理论。
2017年元旦，彭承志、廖胜凯、任纪刚和来自各个地面站的研究人员很少聚在一起。在中国科技大学上海研究所的新年晚会上，他们演唱了量子之星版本的《南山之南》:
“你可以在地球的轨道上*飞行，我在山顶的地面上吹冷风...如果所有的地面站都连接上了，清扫夜空就是为了拥抱你。”
最后他们挥挥手，“一路顺风，我们的量子之星。”
在墨子在天空中飞行的第343天，吴成看到墨子在南山的夜空中划出一道美丽的轨迹。在300秒内，它穿过云层、北斗七星和银河穿过天顶。
那天晚上，星星在天顶闪烁，我不知道有多少已经耗尽了他们的能量，消失在宇宙中。只有它们发出的光已经在宇宙中飞行了数亿年，在那一刻到达了南山的夜空。
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