潘建偉（右）和陸朝陽(yáng)
2016年1月8日，代表中國(guó)自然科學(xué)領(lǐng)域最高獎(jiǎng)項(xiàng)的國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)在萬(wàn)眾期待中揭曉，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、彭承志、陳宇翱、陸朝陽(yáng)、陳增兵為主要完成人的“多光子糾纏及干涉度量”團(tuán)隊(duì)獲此殊榮。值得一提的是，該團(tuán)隊(duì)的成員均為“70后”“80后”的青年科學(xué)家。
量子信息的物理基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)研究對(duì)保障國(guó)家信息安全和發(fā)展下一代信息產(chǎn)業(yè)有著深遠(yuǎn)的影響，已經(jīng)成為世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家優(yōu)先發(fā)展的科技高地，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。
以該團(tuán)隊(duì)成員為代表的中國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期從事量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，對(duì)光量子操縱方法進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究，系統(tǒng)地發(fā)展了多光子糾纏操縱技術(shù)，并創(chuàng)新性地應(yīng)用于量子通信、量子計(jì)算等多個(gè)研究方向，引領(lǐng)和推動(dòng)了多光子糾纏干涉量度學(xué)的發(fā)展，取得了廣域量子通信和光學(xué)量子信息處理等領(lǐng)域的系統(tǒng)性關(guān)鍵突破，并將量子保密通信技術(shù)真正帶入實(shí)際應(yīng)用。
什么是“多光子糾纏及干涉度量”
簡(jiǎn)單地說(shuō)，多光子糾纏及干涉度量就是根據(jù)量子物理原理提供的一種全新方式對(duì)信息進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)、傳輸和邏輯操作，并對(duì)光子、原子等微觀粒子進(jìn)行精確操縱，以確保通信安全和提升計(jì)算速度等方面可以突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。
“實(shí)現(xiàn)對(duì)多粒子糾纏的相干操縱是量子信息技術(shù)的關(guān)鍵科學(xué)任務(wù)，也是量子信息處理的核心物理資源。”潘建偉說(shuō)，正如2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者大衛(wèi)·維因蘭德所指出的，“糾纏粒子數(shù)越多，量子力學(xué)非定域性越強(qiáng)烈，對(duì)量子信息處理也越有用”。
2004年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了五光子糾纏和終端開(kāi)放的量子態(tài)隱形傳輸，這一成果被《自然》雜志發(fā)表，并同時(shí)入選英國(guó)物理學(xué)會(huì)和美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選出的年度國(guó)際物理學(xué)重大進(jìn)展，這對(duì)中國(guó)科學(xué)家來(lái)說(shuō)是首次。此后，潘建偉團(tuán)隊(duì)分別于2007年制備出六光子糾纏、2012年制備出八光子糾纏，并一直保持著糾纏光子數(shù)目的世界紀(jì)錄。
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)于2007年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了安全通信距離超過(guò)100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，從而打開(kāi)了量子通信技術(shù)實(shí)用化的大門，2008年實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，2012年建成首個(gè)規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)。
據(jù)了解，量子通信克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患，是迄今唯一被嚴(yán)格證明是無(wú)條件安全的通信方式，可以從根本上解決國(guó)防、金融、政務(wù)、能源、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問(wèn)題。項(xiàng)目組利用自主研制的量子通信裝備，已經(jīng)為60周年國(guó)慶閱兵、“十八大”、抗戰(zhàn)勝利70周年閱兵等國(guó)家重要政治活動(dòng)提供了信息安全保障。
“這次獲獎(jiǎng)，是對(duì)我們多年來(lái)深耕在量子領(lǐng)域的肯定。當(dāng)然這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，未來(lái)還有更難啃的‘硬骨頭’，要實(shí)現(xiàn)有實(shí)用價(jià)值的量子模擬機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的基本功能，起碼要實(shí)現(xiàn)幾十到上百個(gè)量子比特的糾纏。”潘建偉說(shuō)。
潘建偉團(tuán)隊(duì)重要成員之一、國(guó)家杰出青年基金獲得者陸朝陽(yáng)教授則給自己定了一個(gè)時(shí)間表，“爭(zhēng)取在5年之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)20～30個(gè)光子的糾纏”。
量子理論給世界帶來(lái)哪些改變
在量子物理學(xué)誕生的100多年里，對(duì)它的研究始終長(zhǎng)盛不衰。有人說(shuō)，我們的現(xiàn)代文明，從電腦到激光，從核能到生物技術(shù)，幾乎沒(méi)有哪個(gè)領(lǐng)域不依賴量子理論。那么，量子理論到底是什么？它能給我們的生活帶來(lái)哪些改變？
量子是指微觀世界里不可分割的基本個(gè)體，比如日常生活中的光，就是由大量光量子組成的。量子有著諸如未知量子態(tài)不可復(fù)制、量子非定域性等不同于宏觀物理世界的奇妙特性，若能掌握這些特性，則有望實(shí)現(xiàn)對(duì)信息處理能力革命性的突破。
例如量子具有疊加性，如果能制造出100個(gè)粒子相干操縱的量子計(jì)算機(jī)，在某些問(wèn)題方面的處理能力將會(huì)比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河二號(hào)”還快百億億倍。
在可擴(kuò)展的量子計(jì)算與模擬、量子精密測(cè)量方面，項(xiàng)目組將繼續(xù)在光與冷原子系統(tǒng)、超導(dǎo)系統(tǒng)中發(fā)展多粒子糾纏操縱技術(shù)，希望通過(guò)10年左右的努力，實(shí)現(xiàn)上百個(gè)量子比特的糾纏，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的基本功能。盡管實(shí)現(xiàn)真正意義上的通用量子計(jì)算機(jī)還比較遙遠(yuǎn)，但是專用于解決特定問(wèn)題的量子模擬機(jī)非常有希望在5至10年內(nèi)取得重大突破。
眾所周知，在古典四大名著之一的《西游記》里，孫悟空一個(gè)“筋斗云”就能越過(guò)十萬(wàn)八千里，也許明朝的作家吳承恩怎么也不會(huì)想到，幾百年后科學(xué)家已經(jīng)在微觀粒子的層面上實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了“筋斗云”這種超能力的可實(shí)現(xiàn)性。利用量子糾纏發(fā)展出的量子隱形傳態(tài)，可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，就像孫悟空的“筋斗云”一樣，可以實(shí)現(xiàn)從A地到B地的瞬間傳輸。
潘建偉團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上證明了這種可能性：2004年，利用五光子糾纏，團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)縣了終端開(kāi)放的、多接收用戶的量子隱形傳態(tài);2006年，利用六光子糾纏，團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了兩粒子復(fù)合系統(tǒng)的量子隱形傳態(tài);2015年更是首次實(shí)現(xiàn)了多個(gè)自由度的量子隱形傳態(tài)。
“如果我們帶著一個(gè)保險(xiǎn)箱去北京開(kāi)會(huì)，而保險(xiǎn)箱的鑰匙落在合肥了，在合肥的同事可以通過(guò)量子隱形傳態(tài)將鑰匙的每一個(gè)特征都精確傳送到北京，而在此過(guò)程中他并不掌握這把鑰匙的任何信息。這在經(jīng)典世界中是不可想象的。”潘建偉舉例說(shuō)。
潘建偉團(tuán)隊(duì)有著明確的科研路線圖：通過(guò)量子通信研究，從初步實(shí)現(xiàn)局域量子通信網(wǎng)絡(luò)，到實(shí)現(xiàn)多橫多縱的全球范圍量子通信網(wǎng)絡(luò)，以保證信息傳輸?shù)慕^對(duì)安全;通過(guò)量子計(jì)算研究，為大規(guī)模計(jì)算難題提供解決方案，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)時(shí)代信息的有效挖掘;通過(guò)量子精密測(cè)量研究，實(shí)現(xiàn)新一代定位導(dǎo)航等等。
據(jù)了解，該團(tuán)隊(duì)牽頭承擔(dān)的中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”將于今年發(fā)射，屆時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高速星地量子通信、并連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建我國(guó)廣域量子通信體系。
同時(shí)，團(tuán)隊(duì)牽頭承擔(dān)的千公里光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”項(xiàng)目正在穩(wěn)步建設(shè)，將于今年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)，將推動(dòng)量子通信技術(shù)在國(guó)防、政務(wù)、金融等領(lǐng)域的應(yīng)用。
科研需要長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和群體作戰(zhàn)
“科研需要長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和群體作戰(zhàn)，不能單打獨(dú)斗”。打鐵還需自身硬，潘建偉從2001年就開(kāi)始人才布局。從中國(guó)科大起步，人才布局分別輻射奧地利因斯布魯克大學(xué)、英國(guó)劍橋大學(xué)、德國(guó)馬普量子光學(xué)所、瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、美國(guó)斯坦福大學(xué)……2008年，潘建偉帶領(lǐng)在德國(guó)的團(tuán)隊(duì)整體回歸中國(guó)科大，而其他分布在世界各地的年輕人也陸續(xù)回國(guó)，以陳宇翱、陸朝陽(yáng)、張強(qiáng)、趙博等為代表的一批優(yōu)秀的青年學(xué)者組成了一支精干的研究團(tuán)隊(duì)。
“周密部署、高點(diǎn)起步，成效顯著。”2003年至今，潘建偉團(tuán)隊(duì)的成果8次入選兩院院士評(píng)選的“年度十大科技進(jìn)展新聞”，1次入選《自然》雜志評(píng)選的“年度十大科技亮點(diǎn)”，3次入選英國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的“年度物理學(xué)重大進(jìn)展”，3次入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的“年度物理學(xué)重大事件”。
2007年，英國(guó)《新科學(xué)家》雜志曾在“中國(guó)崛起”特刊中，高度評(píng)價(jià)道，“潘和他的同事使得中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)——因而也是整個(gè)中國(guó)——牢牢地在量子計(jì)算的世界地圖上占據(jù)了一席之地”;2012年，英國(guó)《自然》雜志在報(bào)道該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)量子通信研究成果的新聞特稿“量子太空競(jìng)賽”中不吝贊美之詞：“這標(biāo)志著中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的崛起，從十年前不起眼的國(guó)家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美……”
團(tuán)隊(duì)為什么能取得如此多的成果？“有好的機(jī)遇”，彭承志謙虛地說(shuō)，“興趣決定我們到底能走多遠(yuǎn)，堅(jiān)持讓我們時(shí)刻準(zhǔn)備著”。
遇到過(guò)困難嗎？“困難經(jīng)常有”，剛完成博士論文時(shí)，潘建偉覺(jué)得光子糾纏的方向已經(jīng)沒(méi)法再深入了，“當(dāng)時(shí)很困惑”，然而堅(jiān)持下來(lái)，卻是柳暗花明。
爭(zhēng)論是這個(gè)團(tuán)隊(duì)的常態(tài)，團(tuán)隊(duì)成員、菲涅爾獎(jiǎng)得主陳宇翱說(shuō)，“在學(xué)術(shù)問(wèn)題上，我們經(jīng)常“吵架”。潘建偉說(shuō)，“我隨時(shí)準(zhǔn)備改變我的想法，團(tuán)隊(duì)的開(kāi)放包容和緊密合作才能促進(jìn)各自的成長(zhǎng)”。
許多人并不知道的是，每當(dāng)合肥這座中部城市陷入沉睡的時(shí)候，這群科學(xué)家們往往都在伏案工作，大腦仍在劇烈地運(yùn)轉(zhuǎn)。“我們沒(méi)有工作日和周末之分”，陳宇翱笑言，“有時(shí)候?yàn)榱艘粋€(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可能會(huì)工作到深夜兩三點(diǎn)”。只有當(dāng)一個(gè)大的突破做出之后，才能陪家人出去走走，既是一種放松，也是對(duì)家人的補(bǔ)償。
通過(guò)科學(xué)研究進(jìn)一步提升國(guó)力、造福人類
“回想自己一生，經(jīng)歷過(guò)許多坎坷，唯一希望的就是祖國(guó)繁榮昌盛、科學(xué)發(fā)達(dá)，我們已經(jīng)盡了自己的力量，但國(guó)家尚未擺脫貧困與落后，尚需當(dāng)今與后世無(wú)私的有為青年再接再厲，繼續(xù)努力。”這是著名物理學(xué)家、中國(guó)科大近代物理系首任系主任趙忠堯生前的一段話。新中國(guó)剛剛成立時(shí)，他克服重重困難回國(guó)效力，成為新中國(guó)國(guó)防科技事業(yè)的重要奠基人。如今，這段話被銘刻在在位于上海的中國(guó)科大量子工程中心一樓大廳的顯著位置。
這段話被潘建偉記在心里，他始終不忘一點(diǎn)，個(gè)人的命運(yùn)是和國(guó)家緊密相連的，當(dāng)年毅然回國(guó)，就是想“通過(guò)科學(xué)研究進(jìn)一步提升國(guó)力、造福人類”。
在德國(guó)期間，潘建偉住所樓下有個(gè)經(jīng)營(yíng)蔬菜的小店鋪。每年，店主都會(huì)停業(yè)五周，帶著家人去度假，這件事給他的觸動(dòng)很大。
“德國(guó)有著發(fā)達(dá)的科學(xué)技術(shù)和精良的制造業(yè)，這些都為德國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起了強(qiáng)大的推動(dòng)作用，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展最直接的受益者就是普通百姓。”潘建偉現(xiàn)在思考的是，科學(xué)家在基礎(chǔ)研究之外，如何注意科技成果的轉(zhuǎn)化，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展做貢獻(xiàn)。
“科學(xué)研究不僅要仰望星空，也要腳踏實(shí)地，”他感慨道：“我們不能再像以前那樣，用一火車的東西去換人家一皮包的芯片。我們不僅要關(guān)注原始創(chuàng)新也要鼓勵(lì)成果轉(zhuǎn)化，為國(guó)計(jì)民生做些事情，讓普通老百姓享受科技帶來(lái)的利益。我們的團(tuán)隊(duì)正在朝著這個(gè)方向努力。”
陳宇翱是潘建偉的弟子，他們二人是唯一兩位“菲涅爾獎(jiǎng)”的華人獲得者。2008年，陳宇翱從海德堡大學(xué)物理所博士畢業(yè)后，留在實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任研究助理。其實(shí)，早在陳宇翱2004年前往海德堡之前，導(dǎo)師潘建偉就對(duì)他明確表示，希望他學(xué)成后能夠回國(guó)從事科研工作。陳宇翱欣然應(yīng)允。2011年年底，陳宇翱?jī)冬F(xiàn)當(dāng)初的承諾，全職回到母校中國(guó)科大工作。
在這位80后的科學(xué)家看來(lái)，“量子世界貌似離人們很遠(yuǎn)，其實(shí)卻很近，比如目前銀行中的加密系統(tǒng)，我們只能買國(guó)外的技術(shù)。相信在不久的將來(lái)，我們就會(huì)用上自己的量子加密技術(shù)。”
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