文｜吳長鋒

潘建偉：量子世界的領(lǐng)跑者

文｜吳長鋒

2003年5月20日，科學家潘建偉在奧地利維也納實驗站演示量子糾纏態(tài)遠距離分送

潘建偉團隊實現(xiàn)了“測量器件無關(guān)的”量子通信，從而解決了單光子探測系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現(xiàn)實量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全性。該成果被美國物理學會《物理》雜志評選為年度國際物理學重大進展。

前不久，中國科學技術(shù)大學潘建偉教授的研究小組，采用光子級聯(lián)編碼的方式，實現(xiàn)了對于任意噪聲都具有高容錯率的薛定諤貓態(tài)，朝著實現(xiàn)大尺度量子網(wǎng)絡乃至宏觀糾纏態(tài)邁出了重要一步。

2001年，1970年出生的潘建偉建立了中國第一個光量子操縱實驗室；2003年，他提出了量子衛(wèi)星計劃，那時他才30歲出頭；2011年，41歲的潘建偉成為當時最年輕的中科院院士。1997年以來，他和他的團隊在《自然》及《自然》子刊、《美國國家科學院院刊》、《物理評論快報》等國際權(quán)威學術(shù)期刊上發(fā)表學術(shù)論文90余篇，被引用1萬余次。

量子世界如此令人著迷

潘建偉選擇學習物理，完全出于興趣愛好。1987年高考時候，他本有機會被保送到浙江大學讀當時的熱門專業(yè)?！叭绻邮鼙Ｋ?，可能就無法繼續(xù)我的物理夢了?！蹦悄昱私▊タ既胫袊萍即髮W近代物理系。

“牛頓力學將一切歸結(jié)為機械運動，既然一切都已注定，那人活著還有什么意義呢？量子理論以鬼魅般的陣列運行、以實物的形式到達和離開，這太神奇了！從此發(fā)現(xiàn)一切變得自然而有意義?！迸私▊フf，“量子力學是一種積極向上的科學，令人著迷，又催人奮進。如果一個人是處在‘成功’和‘失敗’的‘迭加態(tài)’上，那么個人奮斗會使得他朝著成功幾率較大的狀態(tài)演化?！?/p>

1996年，在中國科技大學獲得理論物理碩士學位后，潘建偉投身奧地利維也納大學蔡林格教授門下攻讀博士學位。彼時，導師正組織量子信息實驗研究方面第一個國際合作項目。此前，量子信息一直處在理論研究階段，還沒有實驗支撐。

而潘建偉腦子里也正醞釀著一個實驗方案。一個月后，他覺得方案成熟了，便興奮地向研究小組里報告他的設想。然而，報告結(jié)束后全組沒一個人說話。好半天，蔡林格教授問：“潘，你不知道這就是量子態(tài)隱形傳輸?shù)睦碚摲桨竼?？你不知道我們另一個小組正在做這個實驗嗎？”

潘建偉確實不知道，但他認為這是上天的眷顧。他堅定地對導師說：“我要加入這個實驗！”

1997年，題為“實驗量子隱形傳態(tài)”的研究論文在《自然》雜志上發(fā)表。該成果被公認為量子信息實驗領(lǐng)域的開山之作，被歐洲物理學會和美國物理學會評為世界物理學年度重大進展，被美國《科學》雜志評為年度全球十大科技進展，還被《自然》雜志選為“百年物理學21篇經(jīng)典論文”之一，而作為論文的第二作者潘建偉，這一年剛剛27歲。

把別人的看家本領(lǐng)學到手

2001年，潘建偉回到中國科大工作。當時無論是研究水平還是人才儲備方面，國內(nèi)的基礎都很薄弱。

潘建偉在與他的同學楊濤教授一道組織科研隊伍、開展實驗室建設的同時，還繼續(xù)在維也納大學從事多光子糾纏方面的合作研究。國內(nèi)研究組成果出得很快，僅2003年一年，作為第一單位發(fā)表在《物理評論快報》的論文就有7篇。

2004年，潘建偉研究組在國際上首次實現(xiàn)五光子糾纏和終端開放的量子態(tài)隱形傳輸?！蹲匀弧冯s志發(fā)表了這一成果并稱贊說，盡管五粒子糾纏的實現(xiàn)非常困難，但是中國科學技術(shù)大學的潘建偉教授和他的同事們完成了這一壯舉。這種新穎的量子態(tài)隱形傳輸是量子糾錯和分布式量子信息處理所需要的關(guān)鍵技術(shù)。這一成果同時入選歐洲物理學會和美國物理學會評選出的年度國際物理學重大進展。這對中國科學家來說是第一次。

“很自豪！這表明國內(nèi)研究組在量子糾纏方面的工作已經(jīng)成功躍居國際領(lǐng)先水平?！迸私▊フf，“我可以離開維也納了?！?/p>

此后，潘建偉以瑪麗·居里講席教授的身份到德國海德堡大學從事量子存儲的合作研究。潘建偉說：“海德堡大學的冷原子研究處于國際領(lǐng)先地位，我們必須把別人的看家本領(lǐng)學到手?！?/p>

幾年下來，潘建偉團隊在冷原子量子存儲方面形成了豐富的人才和技術(shù)積累，取得了一系列國際領(lǐng)先的研究成果。2008年，《自然》雜志發(fā)表了潘建偉和他的同事完成的題為“量子中繼器實驗實現(xiàn)”的研究成果。《自然》雜志稱贊該工作“掃除了量子通信中的一大絆腳石”。

打造國際一流科研團隊

回國后，潘建偉致力于將不同學科背景的年輕人送出國門，到德國、英國、美國、瑞士、奧地利等量子信息研究的優(yōu)秀國際小組加以鍛煉。這些被“放飛”國外多年的年輕人，如同風箏收線一般，悉數(shù)回國，使中國科技大學團隊得到了空前的壯大。

“我們已經(jīng)是一個有國際影響力的團隊，他們在這里大有用武之地?！迸私▊ヮI(lǐng)導的中國科大合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室量子物理與量子信息研究部可謂人才濟濟，光是“青年千人計劃”教授、“百人計劃”教授就有十來個。

潘建偉帶領(lǐng)研究團隊取得了多個令人驚羨的“第一”：實驗實現(xiàn)了16公里自由空間量子態(tài)隱形傳輸，創(chuàng)造了當時量子態(tài)隱形傳輸距離的世界紀錄，證明了基于自由空間進行遠距離量子通信的可行性；在國際上首次實驗實現(xiàn)了八光子薛定諤貓態(tài)，刷新了由潘建偉團隊保持的多光子糾纏態(tài)制備的世界紀錄；利用八光子糾纏態(tài)，在國際上首次實驗實現(xiàn)了拓撲量子糾錯，是量子信息領(lǐng)域以中國為第一單位發(fā)表在《自然》雜志上的首篇長文，被審稿人稱為“一個艱苦卓絕的英雄主義的量子光學實驗”；在國際上首次實驗實現(xiàn)了百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，通過地基實驗證明了實現(xiàn)基于量子衛(wèi)星的全球量子通信網(wǎng)絡和開展大尺度基本物理問題實驗檢驗的可行性，《自然》審稿人稱為“另一個英雄的實驗工作”?！霸诠饬孔蛹m纏操縱和量子通信方面，我們走到了領(lǐng)跑的位置?！迸私▊フf。

2012年8月，潘建偉被國際量子通信、測量與計算學會授予2012年度國際量子通信獎，表彰其“在量子通信和多光子糾纏操縱方面的先驅(qū)性貢獻”。他是獲得這一榮譽的首位華人物理學家。

2013年10月30日，何梁何利基金在北京舉行2013年度頒獎典禮，潘建偉（左）摘得本年度何梁何利最高獎—“科學與技術(shù)成就獎”

讓量子世界造福人間

量子通信技術(shù)應用基礎研究和應用研究關(guān)乎國家信息安全戰(zhàn)略。2009年4月，潘建偉團隊在合肥市建立了世界上首個多節(jié)點的全通型光量子電話網(wǎng)，并在60周年國慶閱兵期間為天安門城樓、中南海等關(guān)鍵地點之間構(gòu)建了“量子通信熱線”，用于重要信息傳送保障。

2012年，潘建偉團隊完成了包括幾十個節(jié)點的合肥城區(qū)量子通信網(wǎng)絡示范工程，規(guī)模遠遠超過國際上已有的量子通信網(wǎng)絡，并在合肥市得以應用，標志著大容量的量子通信網(wǎng)絡技術(shù)已經(jīng)取得關(guān)鍵性突破。同年，該團隊與新華社合作建設的“金融信息量子通信驗證網(wǎng)”開通，在世界上首次實現(xiàn)了利用量子通信網(wǎng)絡對金融信息的安全傳輸。同年11月，該團隊研制的“基于量子通信的高安全通信保障系統(tǒng)”投入運行，為“十八大”等國家重要政治活動提供信息安全保障。

2013年，潘建偉團隊實現(xiàn)了“測量器件無關(guān)的”量子通信，從而解決了單光子探測系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現(xiàn)實量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全性。該成果被美國物理學會《物理》雜志評選為年度國際物理學重大進展。

在國家發(fā)改委的支持下，中科院聯(lián)合相關(guān)部門啟動了千公里光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”項目，潘建偉出任該項目首席科學家。2016年前后，將建成連接北京、上海的高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡。

“量子保密通信在城域網(wǎng)上的使用已經(jīng)基本成熟，快則兩三年，慢則三五年，就可以推廣。”潘建偉團隊牽頭組織了“量子科學實驗衛(wèi)星”中科院戰(zhàn)略性先導科技專項，預計在2015年到2016年間發(fā)射衛(wèi)星?！蹲匀弧冯s志新聞特稿中這樣寫道，中國將領(lǐng)先歐洲和北美，發(fā)射一顆量子科學實驗衛(wèi)星。這將為物理學家提供一個測試量子理論基礎以及探索如何融合量子理論與愛因斯坦廣義相對論的全新平臺。