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印娟:與量子“糾纏”的女科學家

時間:2022-08-04來源:科技日報

2016年8月18日凌晨,青海小城德令哈觀測站,小雨初歇。

印娟透過望遠鏡,在重重疊疊的云縫里捕捉到一點亮光。那正是我國自主研制的世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”。“當時‘墨子號’離開地面將近48小時了,我們第一時間就將地面的信標光覆蓋到它,為它點亮燈塔,打通建立天地鏈路的第一步。”在2022年夏天回憶起當時的情形,這位“墨子號”的量子糾纏源載荷主任設計師仍然難抑激動。

2002年大二暑假,印娟進入潘建偉教授的量子實驗室,她是第六個來到這個實驗室的學生,也是第一個女生。別看她當時在實驗室年齡最小,正是她調出了實驗室多光子平臺第一個干涉曲線。印娟就這樣成了“潘之隊”的關鍵一棒。

被量子糾纏迷住的印娟從此投身量子通信領域。一晃二十載,從本科、碩士、博士、博士后、副研究員到特任教授,人生最好的年華中,她與“墨子號”衛星和地面站“深情對望”,執著守護。

所謂“量子糾纏”,就像雙胞胎之間的心靈感應一樣,處于糾纏的兩個粒子之間不論相隔多遠,當其中一個粒子的狀態發生變化,另一個粒子也會即刻發生相應的狀態變化。量子糾纏的這種詭異的特性正是量子密碼、量子態隱形傳輸和量子計算機的核心資源。“潘老師最早想到在衛星上實現量子通信,當時很多人都覺得是天方夜譚。”印娟說。

2005年,第一次隨團隊在合肥的大蜀山實現13公里自由空間雙向量子糾纏分發,證實遠距離自由空間量子通信的可行性;2008年,在上海佘山,借助天文臺和衛星之間的光信號星地傳輸,證明單光子級別光源也能被地面接收,為星地一體量子通信網絡提供實驗支撐。

地處高原、海拔達3200米以上的青海湖,為量子衛星的各種技術驗證提供了絕佳的環境。2009年,印娟作為第一批“開荒者”,與同事們一起搭建帳篷,憑著一股子不服輸的勁頭,苦蹲三年,在基地開展了一系列遠距離量子通信實驗研究,在青海湖實現了首個超過100公里的量子糾纏分發實驗和量子隱形傳態實驗。這也是印娟首次作為第一作者,工作成果發表在《自然》上。幾位審稿人高度評價該成果為“一個英雄的實驗工作”“有望成為遠距離量子通信的里程碑”。

由于量子糾纏非常脆弱,而且會隨著光纖內或者地表大氣中的傳輸距離而衰減,以往的量子分發實驗只停留在百公里的距離。此前,中國量子通信技術與世界其他國家基本持平,而量子衛星科學實驗讓中國的量子通信技術一下子處于領跑地位。

2011年底,中科院空間科學先導專項將“量子科學實驗衛星”正式立項,這標志著原本屬于基礎研究的自由空間量子通信進入了追求高可靠零失誤的航天工程領域。博士后出站、剛30歲的印娟被任命為量子糾纏源載荷主任設計師,與航天系統一起溝通協作。印娟全部精力投入到“零失誤”正樣飛行件產品生產中,她和團隊成員形容這個過程為“打怪獸”,把能想象到的極端環境都模擬出來,一次次在樣機上發起挑戰。

2016年8月16日,“墨子號”衛星在酒泉衛星發射中心發射升空,它在萬眾矚目中一飛沖天,從茫茫戈壁進入衛星軌道。那一刻,現場大屏幕上正講述著她們和“墨子號”的故事。

量子衛星科學實驗取得的重大突破在于發現量子糾纏特性在1200公里的尺度上仍然存在。2017年6月16日,《科學》雜志率先向全球發表了“墨子號”實驗的三大任務之一——千公里級量子糾纏分發的最新研究成果。這也讓印娟成為團隊里第一個同時擁有《自然》和《科學》第一作者身份的科學家。

從大蜀山的13公里、百公里再到天地間上千公里,印娟和團隊所有人一起,走得充滿艱辛卻步履堅定。而通過十幾年的努力,我國在地面光纖和衛星量子通信領域都確立了國際領先的地位。

印娟說,自己和“墨子號”是相互選擇、相互成就,“正是由于在每個細節上做到最好,這顆衛星才沒有辜負國家的重托和公眾的期待”。

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