量子通信領(lǐng)域響起“中國聲音” ——潘建偉逐夢量子世界

　　ICCSZ訊   35歲，獲歐洲物理學(xué)會“菲涅爾獎”;41歲，當(dāng)選中國“最年輕院士”;42歲，獲國際量子通信大獎。如今，45歲的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士潘建偉帶領(lǐng)他的研究團(tuán)隊，搶占量子通信制高點(diǎn)——

　　明年，神秘浩瀚的宇宙將增添一顆耀眼的“明星”——中國“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”。它將是世界上首個上天的量子衛(wèi)星，屆時憑借這顆衛(wèi)星，全球化量子通信將會成為可能。日前，在位于上海浦東的中科大上海研究院，潘建偉院士和同事們正在為實(shí)現(xiàn)這一宏大目標(biāo)而緊張忙碌著。從讀本科時與“量子”結(jié)緣，潘建偉已與“量子”打交道二十余年。

　　出國是為了更好地回國

　　上大學(xué)時，英語不太好的潘建偉，原本沒考慮過要出國。 “我要在國內(nèi)做出成就，讓別人請我出國講學(xué)! ”潘建偉曾這樣想。于是，他在遠(yuǎn)大抱負(fù)中開啟了學(xué)術(shù)之旅。

　　在中科大念本科時，潘建偉第一次接觸到量子力學(xué)，量子理論中種種神秘觀念令他著迷。本科畢業(yè)前，他集中研究和總結(jié)了量子世界的各種佯謬，寫進(jìn)了畢業(yè)論文。此后，潘建偉繼續(xù)在中科大攻讀理論物理碩士學(xué)位，隨著研究的深入，潘建偉越發(fā)認(rèn)識到，量子理論中的各種懸疑需要尖端的實(shí)驗(yàn)技術(shù)才能得以驗(yàn)證，而當(dāng)時國內(nèi)在這方面與國際先進(jìn)水平相比還很落后。

　　“你的夢想是什么? ”“我要在中國建一個和您實(shí)驗(yàn)室一樣的世界領(lǐng)先的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室。 ”1996年，潘建偉來到奧地利因斯布魯克大學(xué)，第一次見面，導(dǎo)師塞林格就這樣問他。此后，潘建偉一直用行動踐行著這個承諾。僅僅一年之后，潘建偉便與同事一起在國際頂尖雜志 《自然》上發(fā)表了“首次實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)”的學(xué)術(shù)論文，該成果被公認(rèn)為量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開山之作，被《自然》雜志評為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。此后，潘建偉又先后在國際上首次完成量子糾纏交換，三光子、四光子糾纏及其非定域性檢驗(yàn)，量子糾纏純化等重要實(shí)驗(yàn)。

　　潘建偉在奧地利攻讀學(xué)位之際，正是量子信息這門新興科學(xué)蓬勃發(fā)展的年月。然而，這門學(xué)科當(dāng)時在國內(nèi)還有很大爭議，有人甚至認(rèn)為量子信息是偽科學(xué)。從1997年開始，潘建偉每年利用假期回到中科大講學(xué)，通過各種渠道和國內(nèi)前輩們一起為量子科技發(fā)展提出建議，并帶動一批研究人員進(jìn)入這一領(lǐng)域，希望中國能抓住趕超發(fā)達(dá)國家并掌握主動權(quán)的機(jī)會。

　　一切從零開始。在這一關(guān)鍵時刻，中科院和母校中科大及時給了他 “輸血式”的支持。 2001年，潘建偉得到中科院650萬元的資金支持，加上國家自然科學(xué)基金委的40萬元，共690萬元的經(jīng)費(fèi)，他瞬間 “從窮光蛋變成了小富翁”。在導(dǎo)師張永德教授和近代物理系同仁的支持下，潘建偉立即在中科大組建自己的實(shí)驗(yàn)室。

　　世界前沿響起“中國聲音”

　　有了資金，潘建偉跨過了第一道難關(guān)。然而，第二道技術(shù)難關(guān)，接踵而至。當(dāng)時，國內(nèi)的研究水平和人才儲備都很薄弱，諸多難題擺在了潘建偉面前。“趕超發(fā)達(dá)國家，必須與國際先進(jìn)小組保持密切聯(lián)系，向他們學(xué)習(xí)。 ”潘建偉再次回到歐洲，跟隨已經(jīng)轉(zhuǎn)到維也納大學(xué)的導(dǎo)師塞林格，繼續(xù)從事多光子糾纏方面的合作研究。

　　這段時間，潘建偉像“候鳥”一樣兩頭跑，一邊在國外學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，一邊指導(dǎo)國內(nèi)研究生建立實(shí)驗(yàn)室。不到一年時間，潘建偉率領(lǐng)的國內(nèi)研究組，作為第一單位在權(quán)威雜志 《物理評論快報》上發(fā)表了7篇論文。而當(dāng)時國內(nèi)的普遍情況是，頂尖高校在該雜志一年也發(fā)不了幾篇論文。 2004年，他們在國際上首次實(shí)現(xiàn)了五光子糾纏和終端開放的量子態(tài)隱形傳輸，該成果順利登上《自然》雜志，同時入選歐洲物理學(xué)會和美國物理學(xué)會評選出的年度國際物理學(xué)重大進(jìn)展，這對中國科學(xué)家來說還是第一次。

　　人才是第一生產(chǎn)力。作為世界前沿，量子科技需要不同學(xué)科背景的人才、技術(shù)和較高強(qiáng)度的經(jīng)費(fèi)支持。 2003年至2008年，潘建偉在快速推進(jìn)國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的同時，繼續(xù)在歐洲從事冷原子量子調(diào)控方面的學(xué)習(xí)與合作研究，并通過從國內(nèi)招收研究生和博士后、選派學(xué)生到國際先進(jìn)小組學(xué)習(xí)等方式培養(yǎng)后備力量，完成量子科技至關(guān)重要的人才和技術(shù)原始積累。

　　潘建偉的人才布局，從中科大起步，分別輻射奧地利因斯布魯克大學(xué)、英國劍橋大學(xué)、德國馬普量子光學(xué)所、瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)……最終再回歸中科大。2008年，潘建偉帶領(lǐng)在德國的團(tuán)隊整體回歸母校，而其他分布在海外各地的年輕人也陸續(xù)回國，以陳宇翱、陸朝陽、張強(qiáng)、趙博等為代表的一批優(yōu)秀青年學(xué)者組成了一支強(qiáng)大的研究團(tuán)隊。

　　從2004年至今，潘建偉團(tuán)隊取得一系列具有重要國際影響的研究成果：首次在國際上實(shí)現(xiàn)五光子糾纏和終端開放的量子態(tài)隱形傳輸;首次實(shí)現(xiàn)具有存儲和讀出功能的糾纏交換，完美地實(shí)現(xiàn)了長程量子通信中亟需的“量子中繼器”;首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了八光子薛定諤貓態(tài);首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā);首次實(shí)現(xiàn)多自由度量子隱形傳態(tài)。

　　“在量子通信領(lǐng)域，中國用了不到十年時間，由一個不起眼的國家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美。 ”《自然》雜志在報道潘建偉團(tuán)隊量子通信研究成果的新聞特稿“量子太空競賽”中指出。

　　合作共贏勝過單打獨(dú)斗

　　“科學(xué)家要做原始創(chuàng)新，為國服務(wù)。”潘建偉有著明確的科研路線圖：通過量子通信研究，從初步實(shí)現(xiàn)局域的量子通信網(wǎng)絡(luò)，到實(shí)現(xiàn)多橫多縱的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)，以保證信息傳輸?shù)慕^對安全;通過量子計算研究，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)時代信息的有效挖掘;通過量子精密測量研究，實(shí)現(xiàn)新一代定位導(dǎo)航……

　　“科研需要群體作戰(zhàn)，不能單打獨(dú)斗。”近年來，中科院以中科大為依托，適時成立中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心，通過整合院內(nèi)相關(guān)研究所和南京大學(xué)、國防科大等優(yōu)勢高校，在教育部支持下成立量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心，根據(jù)“最優(yōu)、最簡、互補(bǔ)”的原則對我國在量子信息領(lǐng)域的主體研究力量進(jìn)行初步整合。

　　早在2008年，潘建偉團(tuán)隊就在合肥建立世界上首個光量子電話網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“一次一密”加密方式的實(shí)時網(wǎng)絡(luò)通話，真正做到“電話互聯(lián)互通、語音實(shí)時加密、安全牢不可破”的量子保密電話網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。2012年、2014年，潘建偉團(tuán)隊分別建成國際上規(guī)模最大的量子通信網(wǎng)絡(luò) “合肥城域量子通信試驗(yàn)示范網(wǎng)絡(luò)”和“濟(jì)南量子通信試驗(yàn)網(wǎng)”，標(biāo)志著大容量的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成熟。 2012年底，潘建偉團(tuán)隊的量子通信裝備在北京投入常態(tài)運(yùn)行，為“黨的十八大”等國家重要政治活動提供信息安全保障。

　　目前，在國家發(fā)改委的支持下，千公里光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”項目也正在穩(wěn)步建設(shè)，將于2016年底前后建成連接北京、上海的高可信、可擴(kuò)展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，推動量子通信技術(shù)在國防、政務(wù)、金融等領(lǐng)域的應(yīng)用。與此同時，潘建偉團(tuán)隊正在牽頭實(shí)施中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，將于2016年發(fā)射世界首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”。

　　“科學(xué)研究，不僅要仰望星空，也要腳踏實(shí)地。 ”潘建偉感慨地說，我們不能再像以前那樣，用一火車的東西去換人家?guī)讐K芯片;我們不僅要關(guān)注原始創(chuàng)新，也要鼓勵成果轉(zhuǎn)化，讓普通老百姓享受科技發(fā)展帶來的利益。 “知者不惑，仁者不憂，勇者不懼。 ”潘建偉不僅一直踐行著孔子的這句經(jīng)典名言，也言傳身教地影響著他的學(xué)生們。