2022年10月4日，诺贝尔数学学奖授予在量子信息领域作出开创性贡献的三位科学家。在诺奖官方介绍的相关工作里，谈到了中国科学家主导或参与的8篇文章，其中，星地量子秘钥分发、星地量子秘钥分发、器件无关量子秘钥分发是对量子信息，尤其是量子通讯领域的重要发展和推动，完全由中国的潘建伟教授团队设计完成，再者人类首次实现量子通讯，7600公里洲际量子通讯实验也是由该团队主导的墨子号量子卫星实现。
中国农大的印娟院士，是团队最初期的成员之一，当她还是一名大二中学生的时侯，就结缘量子，随后的二六年，她和“墨子号”量子通讯卫星牵手前行，共同成长，见证了中国在量子通讯领域从超越到领跑的历程。
2016年，随着”墨子号”顺利升空并在轨工作，“量子通讯”成了家喻户晓的科技热门词。对印娟来说，她目送墨子号驶向太空，像看着抚育多年的女儿踏上征程。那种时刻，印娟脑中涌现的，是十多年前的大蜀山，13公里自由空间单向量子纠缠分发实验，他们证明了用卫星实现量子通讯的可行性。借此为起点，印娟和团队男子伴们并肩作战十多年，在气候凌冽的湖南湖、在银汉高悬的山西南山、在世界屋脊拉萨阿里、在群山起伏的广东兴隆，凝望星空，脚塌实地，一步步让自由空间量子通讯从理论弄成现实。
作为团队中的女人成员，印娟从来没有在坚苦的工作环境中胆怯。她和所有人一样，以梦想为马，与辛酸相随，用出众的工作将量子信息从深奥的词汇弄成服务国家、惠及民生的硬核法宝。
在墨子沙龙“她力量”专场，印娟院士带来了她心里的量子故事。
哪些是量子热学
精典化学学在19世纪末20世纪初，早已发展得很完备。我们生活中的宏观、低速的场景，精典化学学都能给出挺好的预测和解释。日月星辰、苹果小球，都遵守着同样的运行规律，如同只要晓得了体系的初始状态，旁边的一切演变都是确定的。
然而，真的是这样吗？假如明天宇宙中的一切早在大爆燃的那一刻就决定了，人类的努力还有没有意义？
1900年，随着普朗克提出了量子的能量说，人类步入量午时代，就在哪个群星璀璨的时代，爱因斯坦提出了光量子的效应；玻尔描述了原子的基态；薛定锷用一个多项式来描述机率波的世界；海森堡提出了“测不准原理”。好多科学家共同描述了量子世界的面容。
这么，量子是哪些呢？
量子是构成物质的最基本的单元，是能量的最基本的携带者，例如光子、原子、分子。而且，我们说它早已是最基本的单元，意味着它就不可以再往下细分了。
量子有哪些样的特点？我们可以将其与精典化学进行对比：在精典数学学的理论之下，我们可以用0和1作为比特来描述世界；而在量子世界里，因为量子叠加，比特可以处在0或1，也可以处在0和1的叠加的状态。
以光子为例，光子既是粒子也是波，它有波动的特点，它震动的方向就称作极化方向。极化方向可以在任何一个方向，可以是水平的，或则是垂直的，也可以处在两者的叠加态。
当我们对极化方向去做检测的时侯，结果并不是确定的，它有50%的机率在水平，有50%的机率在竖直，这就是它的叠加性。须要说明的是，这个量子叠加特点是单粒子的状态。
若果是双粒子或则更多的粒子出现的时侯，还会出现了量子热学的真谛——量子纠缠。
我用胞胎来打个比方，一个同卵的胞胎，虽然在世界上不同的地方，假如其中一个的眼睛是蓝色的，你不用去看另外一个，就可以晓得他的双眼肯定也是一样的颜色。而实际上在量子纠缠这个问题上，情况要更复杂一些：在你没有去检测他眼睛颜色之前，眼睛颜色是处在一个叠加状态的，它有一定的机率处于黄，一定的机率处于蓝。但当你去看其中一个女儿眼睛颜色的时侯，另一个儿子的眼睛也处在了同样的状态。爱因斯坦觉得，这是不可思议的，他把这些现象称之为“遥远地点之间的奇特互动”。他觉得必需要力证这个事情的荒诞。
1935年，爱因斯坦跟勃艮第斯基、罗森三个人发表了一篇文章，来指责量子热学的完备性。
由于他觉得，身处两地的胞胎，眼珠的颜色肯定是预先确定的。一旦你见到其中一个的颜色是蓝色，会有一个“超人”立刻告诉远处的另一个人，让他也弄成黑色。这个“超人”非常强悍，赶超了我们的日常理解，爱因斯坦把它称作隐变量。爱因斯坦觉得，粒子的原始状态是确定的，之所以会出现“遥远之间的奇特互动”，是由于有一个隐变量在操纵。而那篇文章，由于三位作者的名子，被叫做EPR佯缪。
这就是在当时两种量子热学学派的争辩。一派以爱因斯坦为代表，他觉得世界是定域实在的，事物本身都是确定的，只要传播的速率没有超过光速，两地的状态就来不及形成关联。而以玻尔为代表的另一派则觉得，量子是有非定域性的，在非局域上才能同时有相应的变化形成。
两个学派争辩了几六年，仍然都处在哲学思辨的层面。总算，贝尔在1964年，想出了一种方式，来证明隐变量的存在。他从EPR佯谬出发来做结论，设计了一个不方程，假定有这样一个隐变量存在，这个不方程的结果不会超过2。但若果量子热学纠缠是存在的，这个结果会超过2。
贝尔不方程为实验验证爱因斯坦和玻尔谁对谁错提供了思路。这么，接出来就是从不方程的物理方式到实验验证。John、和他的中学生Horne，两组人同时举办实验方案的设计，后来再加上Holt，她们四个人产生了一个称作CHSH（以其姓氏首字母命名）的不方程，这样，贝尔不方程往实验可验证的路上进了一步。
后来，她们四个人又分成了三个组，去继续实验。1972年，第一个用量子纠缠检验了贝尔不方程，证明量子热学是正确的。不过，既然是第一个实验，就有考虑不周的地方——既然是检验遥远距离之间的影响，相互就不能“窃窃私语”，而的实验设备距离很近，检测也都是固定的，如同分别对两个儿子进行考试，她们离得太近相互偷窥，即使没有纠缠，他俩的答案还是互相对应的。
Alan发觉了这个问题，他的实验设计，才能满足遥远之间相互不影响，也就是我们说的类空间隔，证明了量子热学的正确。
但Alan的实验还是有漏洞——测量方向是周期的，假如隐变量真的存在，或许还能像超人一样，依照这个周期来操纵实验结果。所以，1998年，进一步改进实验，他让检测方向弄成随机的，关掉了这个局域性漏洞。
接出来，让我们把脑洞再开大一点，考虑到在这种实验里，侦测到的那些纠缠，虽然是形成的这些纠缠里的特别少的一部份，其实，超人又来“使坏”了，他故意让你看见那有关联的少部份，这就是所谓侦测漏洞。所以，后来一些科学家不断改进实验，最终同时关掉了定域性漏洞和侦测漏洞，事实证明，所有的实验都验证了量子热学的正确性。
其实，严格来说，贝尔不方程假定的都是十分完美的条件人类首次实现量子通讯，所以目前还有相关的漏洞没有严格关掉，还须要科学家继续往下走。
这种故事讲完了，我们如今来看去年的诺贝尔化学学奖：得奖者是Alan、John、Anton。奖励她们用纠缠光子进行实验，确立了贝尔不方程的遵守，开创了量子信息科学。是的，量子纠缠除了有理论上的革命性意义，还可以帮助我们做好多事。例如上面提及的Anton，提出并实现了三粒子纠缠，贝尔不方程得到了更强有力的验证。据悉，多粒子纠缠还被证明可以干别的事情，例如，量子通讯，量子估算，量子精密检测等。
量子通讯的故事
量子热学是一个革命性的观念，对量子热学的一些根本性的问题，科学家还在继续研究，并且对量子的应用已经展开。明天，我想介绍量子信息科学中的重要部份——量子通讯。
首先是量子秘钥分发——光子不可再分，监听者是没有办法抢走一半的，只要通讯的双方共享了量子态，监听者一旦有检测行为，最后通讯双方通过比对就必将会发觉，经过比对检验过的秘钥，再结合一次一密的加密方法，我们就可以在原理上实现无条件安全的通讯方法。
原理上无条件安全的通讯方法
另一个是全新的量子通讯的形式——量子隐型传态。就是借助量子纠缠，将量子信息传送到另一地点，而不用传送信息载体本身。
量子隐型传态示意图
在影片《星际迷航》里，就有这样的过程。我们来想像一下，我们广州的实验室有跟广州某个实验室互相纠缠的物质，我把自己跟北京的这团物质检测一下，检测的结果通过网路发去广州。南京方面按照收到的检测结果，做一次操作，我就在那儿下来了。其实，检测一个人的所有信息如今还办不到。并且在我们现有的实验室里，多体、多终端、多自由度、多维度的量子隐型传态是在逐渐实现的。
现今来看一看关于量子通讯初期的原理性验证，1992年，科学家实现了首次的量子秘钥分发，当时的距离只有32公分，整个装置又大又粗糙，属于原型演示。而最早的量子隐型传态实验，则是1997年，由、潘建伟、Anton共同完成的。该实验在1999年荣获了《》物理学百年的21篇精典论文，当时入围的论文工作包括伦琴的X射线，还有爱因斯坦的相对论等。到去年为止，这21篇论文全数荣获诺贝尔奖。
从实用的角度说，既然是量子通讯，就要实现远距离。光子在光纤上面是有固定的耗损的，远距离量子通讯，须要量子中继，而更有效的方法，就是自由空间的量子通讯，不仅大气层这段，外太空几乎没有对光子的耗损和退相干。
我是20年前步入实验室的，当时潘老师的组里就早已提出自由空间的量子通讯。对于这样一个很大胆的看法，你们就会感觉有点天方夜谭，但实际上我们就是如此一步步往下走出来的。
大气层等效宽度是8公里，我们首先做了13公里自由空间量子纠缠和秘钥分发实验、16公里自由空间量子隐型传态实验。第二步，为了验证在高耗损星地链路中进行量子通讯的可行性，我们又在江西湖进行了百公里级自由空间量子纠缠分发和量子隐型传态。第三步，为了验证各类卫星运动姿态下进行星地量子通讯的可行性，我们在湖南湖进行了星地量子通讯的全方位地基验证。
在自由空间量子通讯的国际竞争中，我们国家率先于2011年11月启动了中科院“量子科学实验卫星”的先导专项计划，并于2016年成功发射“墨子号”量子科学实验卫星。
“墨子号”发射至今，成果不断涌现。星地单向纠缠分发和贝尔不方程检验、星地量子秘钥分发、地星量子隐型传态，都早已达到了千公里水平。
诺贝尔奖公布新闻发布会上展示“墨子号”研究成果
在去年诺贝尔奖公布新闻发布会上，“墨子号”研究成果被重点介绍。诺奖官方深度剖析里，也引用了中国人的一些工作。具体来说，一共是引用了我们中国科学家，尤其是潘建伟院士的七篇文章。其中四篇文章是潘老师在法国维也纳追随Anton读研究生期间的工作，这种工作直接贡献到了Anton此次拿诺贝尔奖的成就。另外三篇，纯粹是我们国外实验室做的工作，分别是星地量子秘钥分发、地星量子隐型传态、器件无关的量子秘钥分发。潘老师是这种实验看法的提出者、实验方案的设计者，根据诺奖官方剖析，那些是对量子信息领域，尤其是量子通讯领域的重要推动。2017年，我们的三个主目标完成了以后，“墨子号”实现了上海和维也纳之间的7600公里洲际量子通讯，2018年1月，文章发表。
“墨子号”取得的成功，迸发了国际上好多国家投入空间量子通讯计划，目前，我们不管是在“墨子号”，还是后续的低轨小卫星，都还是在国际上保持领先。未来，我们希望通过太空中低轨、高轨的卫星组网，实现天地一体化的广域量子通讯保密体系，但是与精典的通讯网路实现无缝的链接，来建立具有国际推动地位的战略性新兴产业和下一代的国际信息安全生态系统。
在基础数学方面，可能会结合我国的登月计划，举办观测者参与的量子热学非定域性检验。
我对科研的感受
从我进实验室开始，早已和量子纠缠“纠缠”了二六年。我们目前的量子纠缠光源都是借助各类各样的晶体自发热阻下转换形成的。我清楚地记得，进实验室第三天，我的教师杨涛老师让我站到实验平台的尾端，问我能不能见到示意图上的绿点。我说我听到的是红的，他肯定了我的答案，说你是实验室第二个看见纠缠的人。后来，我去多光子平台上成功调出了干涉曲线，潘老师和师弟们也在各类场合，说当初第一个多光子平台干涉曲线是我调下来的。那些肯定和鼓励让我乐意坚持20年继续在这个领域做下去。所以旅长的赞扬，对于长辈来说，有特别大的推动作用。
在我成为导师以后，也开始独立带研究生，我的组里女研究生好多。在墨子号的研发过程中，好多女孩参与其中。他们除了悉心、而且坚忍，在西藏湖那样坚苦的环境下，搭帐蓬、手摇发电机煮饭都没有难倒他们，在阿里5100米的高原上，女孩们带着氢气面罩一样向前冲，论刚毅程度，我觉得不存在性别的差别。所以从这个角度上来讲，我投档研究生是不挑性别的，只要男性有意愿和兴趣从事科研，我都会支持她，由于兴趣能支撑你走很远。
印娟，中国科学技术学院院长，“墨子号”量子科学实验卫星量子纠缠源荷载校长设计师。2011年获中国科学技术学院理学博士学位。从事基于远距离量子纠缠的量子化学实验研究，完成了千公里级星地单向量子纠缠分发和无中继量子秘钥分发等，首次实现可覆盖全球的广域量子通讯。曾获北京市巾帼创新新秀奖、美国科学推动会克利夫兰奖、中科院杰出科技成就奖（研究集体）、全国三八红旗手等荣誉。