潘建偉 曹玲

我是浙江東陽人。初中剛剛接觸物理時，我就發(fā)現(xiàn)這門學(xué)科比較適合我。我這個人記性比較差，背英語單詞有些困難，物理則很簡單，不需要死記硬背，理解之后記幾個簡單的公式，很多東西就能推演出來。我還記得初三暑假，我躺在床上，物理教科書像放電影一樣一頁頁在我腦海中閃過。

1987年，我參加了高考。那時候改革開放快10年了，一方面很多人說要搞經(jīng)濟，一方面大家又認(rèn)為“學(xué)好數(shù)理化，走遍天下都不怕”。當(dāng)時我糾結(jié)的是學(xué)經(jīng)濟管理還是學(xué)物理，我想學(xué)物理，又怕將來難以養(yǎng)家糊口。父母安慰我說：“我們有退休工資，你不用擔(dān)心。”

于是我報考了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系，進(jìn)入了物理學(xué)的殿堂。牛頓力學(xué)、電動力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)等學(xué)科我都學(xué)得不錯，但是大三的量子力學(xué)把我搞糊涂了。傳統(tǒng)的牛頓力學(xué)有點像決定論，原則上一切東西可以計算出來，比如一旦確定了初始條件，你可以預(yù)知物體的位置、月亮的軌跡等等。但量子力學(xué)的很多觀念和經(jīng)典物理學(xué)完全不一樣，它有我們熟悉的確定性和必然性，又有不確定性以及或然性。量子力學(xué)的奇怪之處在于，微觀世界里一個微小粒子，在特定條件下能同時既在桌子上又在地板上，既在北京又在上海，就像孫悟空會分身術(shù)一樣，這種現(xiàn)象被稱為“量子疊加”。當(dāng)把量子疊加擴展到兩個粒子時，就會出現(xiàn)“量子糾纏”現(xiàn)象，處于糾纏態(tài)的粒子即使相隔很遠(yuǎn)，當(dāng)對其中一個進(jìn)行測量改變其狀態(tài)時，另一個狀態(tài)也會即刻發(fā)生相應(yīng)的改變。

這簡直太奇怪了，我無法理解量子世界的這些特性，苦苦思索以至于疏于做題，期中考試差點沒有及格。我被量子力學(xué)深深地吸引，集中研究和總結(jié)了量子世界的各種佯謬，寫進(jìn)了本科畢業(yè)論文。有些佯謬非常有趣，比如量子芝諾佯謬，意思是如果你盯著一個物理體系，一直在測量它，這個體系就不再演化了。通俗一點說，比如你想讓母親永葆青春，最好一直盯著她看，這樣她就會永遠(yuǎn)年輕。

做本科論文時，我得到一個結(jié)論，如果量子糾纏在往兩邊送的時候，中間被人偷偷測量過的話，兩個粒子之間的糾纏就消失了。這種特性能提供一種安全的密碼分發(fā)手段，如果信息傳送中被人偷看過來，就會影響糾纏關(guān)系，從而被傳遞者發(fā)現(xiàn)，這其實就是量子保密通信的基本原理。

事實上，量子力學(xué)的奧秘相當(dāng)深邃。量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一玻爾說，如果學(xué)了量子力學(xué)后，你不覺得奇怪，不覺得不可思議，不犯糊涂的話，那你根本就沒學(xué)懂。著名物理學(xué)家理查德·費曼則直截了當(dāng)?shù)卣f，世界上沒有一個人懂量子力學(xué)。

后來我想，既然量子力學(xué)的基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)短時間內(nèi)無法取得突破，不妨先做實驗驗證已有的理論是否正確。物理學(xué)終究是門實驗科學(xué)，再奇妙的理論若得不到實驗檢驗，也無異于紙上談兵。

上世紀(jì)90年代中期，我碩士畢業(yè)。當(dāng)時中國的經(jīng)濟已見起色，但國家依然沒有足夠的財力來建設(shè)實驗室，如果想做量子物理實驗的話，需要到國外留學(xué)。1996年，我到了量子力學(xué)研究的重鎮(zhèn)奧地利因斯布魯克大學(xué)攻讀博士學(xué)位，師從量子實驗研究的著名學(xué)者安東·塞林格。我至今仍清晰地記得第一次見到塞林格教授時，他問我未來的計劃是什么，我回答：“在中國建一個和您的實驗室一樣的世界一流的量子光學(xué)實驗室?！?/p>

到奧地利不久，我發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象：通過特定操作，可以利用量子糾纏，把一個粒子的狀態(tài)傳遞到另外一個粒子上，而不用傳遞這個粒子本身。我很興奮，在實驗室的組會上做了報告。但是我講完之后沒有一個人提問，過了一會兒才有一個人站起來說：“建偉，你知不知道量子隱形傳態(tài)？”我說：“不知道。”他就沒再說什么。之后我才知道，我的想法1993年就有科學(xué)家已經(jīng)提出來了，就叫作“量子隱形傳態(tài)”。那個時候，中國的文獻(xiàn)極度缺乏，我們的信息和國外是脫節(jié)的，很多學(xué)術(shù)上的前沿研究我們并不能及時知道。

不過我的報告讓導(dǎo)師塞林格非常高興。他告訴我，實驗室正準(zhǔn)備做光量子隱形傳態(tài)實驗，于是我要求加入實驗。1997年，我們成功把一個粒子的狀態(tài)從一個地方傳到另外一個地方，但是這個粒子本身并沒過去。這就像科幻故事里的星際旅行一樣，這邊的人消失了，然后在那邊重構(gòu)出來，這樣的研究太讓人興奮了。我們的工作發(fā)表在《自然》雜志上，后來被認(rèn)為是量子信息實驗領(lǐng)域的開端之作。這一工作同時被美國物理學(xué)會、歐洲物理學(xué)會和《科學(xué)》雜志評為年度十大進(jìn)展，并被《自然》雜志在其特刊選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。

這項工作堅定了我從事實驗量子物理實驗研究的信心。那時，不管是量子隱形傳態(tài)還是量子保密通信，傳輸?shù)木嚯x只有幾十厘米，根本沒有什么實用價值。要做實用性的量子通信，首先需要遠(yuǎn)距離傳輸，其次要解決現(xiàn)實條件下的安全性問題，這些內(nèi)容成了之后20年我研究的主要方向。

為什么要做量子保密通信呢？我們目前所有的經(jīng)典加密算法都依賴于計算復(fù)雜度，只要擁有足夠強大的計算能力，原則上都可以破解。而量子通信可以提供一種原理上無條件安全的加密手段，量子密鑰在量子通信中的作用就像火漆一樣，但比火漆更徹底，一旦有人試圖打開信件，量子密鑰就會讓信件自毀，并讓使用者知曉。

然而要實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信，還要依靠量子中繼，而量子中繼的核心環(huán)節(jié)是量子存儲技術(shù)。當(dāng)時國內(nèi)的研究基礎(chǔ)依然很薄弱，從2003年起，我一方面在科大大力發(fā)展光量子信息技術(shù)，另一方面到冷原子和原子芯片領(lǐng)域具有很強實力的海德堡大學(xué)物理所工作，以客座教授的身份在歐洲通過各種渠道申請經(jīng)費支持，并從國內(nèi)招收研究生和博士后，為我國培養(yǎng)冷原子量子存儲方面的研究力量。

2008年，在完成了充分的技術(shù)積累和人才儲備后，我放棄了在海德堡大學(xué)的職位，全時回國工作，同時把自己在德國海德堡大學(xué)的實驗室搬回科大。搬家清單足足列了120頁，大到激光器，小到12毫米鏡片，全都帶回來了。德國《明鏡周刊》采訪我，問為什么回去。我說我喜歡研究科學(xué)，我也很愛中國，既然能在自己的國家做研究，當(dāng)然要回去。從大的時代背景來說，改革開放幾十年之后，國家有國力支持前沿科學(xué)研究，我們在國內(nèi)照樣能夠做出一流的研究。

2016年8月16日，我國發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”，之后成功實現(xiàn)了三大既定科學(xué)目標(biāo)，在國際上率先實現(xiàn)了千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)、千公里級星地高速量子密鑰分發(fā)和千公里級地星量子隱形傳態(tài)，這些原理性實驗都證明了利用衛(wèi)星平臺進(jìn)行遠(yuǎn)距離甚至全球化的量子通信是可行的。

量子衛(wèi)星的成功引起了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，受到了高度肯定。但在量子衛(wèi)星立項和研制過程中，也時常出現(xiàn)一些疑慮。人們常問，美國、歐洲都沒有發(fā)射量子衛(wèi)星，我們國家先搞，到底靠不靠譜？回復(fù)質(zhì)疑的最好辦法就是做好自己的工作。在國家的堅定支持下，我們不負(fù)所托，達(dá)到量子通信研究國際領(lǐng)先的水平，使我國在信息安全領(lǐng)域至少擁有了一項不懼國外封鎖、掌握在自己手中的核心技術(shù)。此后，受量子衛(wèi)星成功實施的影響，歐洲、美國對這個領(lǐng)域的重視程度日漸增強，紛紛跟進(jìn)，提出了空間量子實驗的計劃，國家級戰(zhàn)略項目也相繼啟動。

這么多年過去了，研究越深入我越能體會量子力學(xué)的神奇，我想我這輩子可能也無法理解量子力學(xué)的真諦了。這就好比1000年前上帝給了人類兩個手機，古人想破頭也無法理解為什么這個東西能千里傳信?，F(xiàn)代人可能還沒有回答量子力學(xué)本質(zhì)的能力，或許幾十年、幾百年，甚至幾千年之后，如果人類還沒有毀滅的話，可能會弄明白。所謂“朝聞道夕死可矣”，如果能讓我搞清量子糾纏的本質(zhì)，這輩子就沒有白活。

盡管我們無法理解量子力學(xué)一些奇妙現(xiàn)象的本質(zhì)，但并不代表不能應(yīng)用。就像很多藥物誕生之初，人們也不明白它為什么有效，直到若干年后基礎(chǔ)科學(xué)進(jìn)步了，才知道它的作用機制。

目前，量子計算技術(shù)依然處于實驗階段，估計還要20？30年才能實用化。量子保密通信則已經(jīng)進(jìn)入了實用化階段，我希望未來能發(fā)射3？5顆低軌道衛(wèi)星和一顆高軌道地球同步衛(wèi)星，構(gòu)建完整的空地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系，并且與經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無縫鏈接，廣泛、深入地服務(wù)于國家信息安全。

手記

中國的科研很大程度上是在跟隨發(fā)達(dá)國家的腳步，而量子通信技術(shù)卻做到了全球領(lǐng)先，給了中國科學(xué)家極大的自信。

量子信息技術(shù)是一個全新的學(xué)科，主要包括量子通信、量子計算和量子精密測量三個方面。量子通信可以提供原理上無條件安全的通信手段，量子計算可以帶來計算能力的巨大飛躍，量子精密測量可以超越經(jīng)典方法的測量精度。這三者中，量子通信是最先得以實用化的量子信息技術(shù)。

從理論上來說，以往建立在計算復(fù)雜度基礎(chǔ)上的加密算法，都是可以被破解的。第一臺現(xiàn)代計算機的誕生，就是為破解復(fù)雜的數(shù)學(xué)密碼。隨著計算機的飛速發(fā)展，破譯數(shù)學(xué)密碼的難度也逐漸降低，信息安全面臨的挑戰(zhàn)隨之上升。而量子通信基于單光子不可被分割、未知量子態(tài)無法被克隆等特性，可以做到原理上的無條件安全。

為了將量子通信技術(shù)推向應(yīng)用，潘建偉深耕20年，其間遇到各種阻力和困難。1999年，29歲的潘建偉博士畢業(yè)準(zhǔn)備回國工作，那時量子信息研究在國內(nèi)幾乎一片空白，不僅不被承認(rèn)，還被認(rèn)為是偽科學(xué)。在這種環(huán)境下，想要申請國內(nèi)科研經(jīng)費自然非常困難。潘建偉無奈之下，申請了國外大學(xué)的教職，同時也繼續(xù)利用假期回國講學(xué)，為我國在量子信息領(lǐng)域的發(fā)展提出建議，并帶動一批研究人員進(jìn)入該領(lǐng)域。

天無絕人之路。就在當(dāng)年，知名學(xué)術(shù)期刊《自然》評選出“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”，潘建偉于1997年發(fā)表于《自然》雜志的論文《量子態(tài)隱形傳輸》赫然在列。值得一提的是，與該成就并列的還包括倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等經(jīng)典論文。

阿爾伯特·愛因斯坦是潘建偉的偶像。他熟讀《愛因斯坦文集》，大學(xué)時還有個綽號叫“阿爾伯特”。在潘建偉看來，學(xué)得越多，越能感到愛因斯坦之偉大。愛因斯坦對物理學(xué)的各個方向都做出了深刻的貢獻(xiàn)，比如說引力波、量子糾纏、凝聚態(tài)物理、大統(tǒng)一理論等等。而量子力學(xué)則讓愛因斯坦備感頭疼，他曾形容量子糾纏現(xiàn)象是“鬼魅般的超距作用”。愛因斯坦或許不曾想到，正是他所質(zhì)疑的量子糾纏現(xiàn)象，引發(fā)了量子信息這一全新的學(xué)科。

潘建偉也沒料到，自己會以這種特殊的方式向愛因斯坦致敬。消息傳到國內(nèi)，他所從事的研究開始得到認(rèn)可，提交的科研項目也終于獲得了中國科學(xué)院和國家自然科學(xué)基金委的支持。拿著700萬元資金，潘建偉開始在母校中科大著手組建實驗室。

之后幾年，他所在的團隊頻頻在國際頂級期刊發(fā)表高質(zhì)量論文，41歲的他于2011年當(dāng)選中科院“最年輕院士”，2012年榮獲國際量子通信獎。

2016年8月16日，全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射成功，世界首次實現(xiàn)了衛(wèi)星和地面之間的量子通信。 2017年9月29日，量子保密通信干線——“京滬干線”開通。京滬干線和量子衛(wèi)星相結(jié)合，構(gòu)建了我國的廣域量子通信體系的雛形，為率先建成全球化的量子通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。

“墨子號”發(fā)射那年，歐盟和美國也頒布了各自的國家級研究計劃。2016年5月，歐盟量子大會上宣布啟動10億歐元的量子技術(shù)旗艦計劃，連同各國和企業(yè)的配套，總經(jīng)費將超過30億歐元。美國政府在每年斥資2億美元資助量子信息科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上，今年7月，國會通過了為期10年的“國家量子行動計劃”法案，未來4年間將投入約13億美元。

量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士在中國科大量子存儲實驗室中了解科研情況（攝于2017年4月）

除了量子通信之外，潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的團隊還專注于量子計算與模擬、量子精密測量等領(lǐng)域。利用量子態(tài)的疊加性質(zhì)，量子計算可以實現(xiàn)計算能力的飛躍，將為解決經(jīng)典密碼分析、氣象預(yù)報、藥物設(shè)計等大規(guī)模計算難題提供全新的方案。量子精密測量技術(shù)可以大幅提升自主導(dǎo)航、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)檢驗等領(lǐng)域的精度，也將會為引力波探測提供理想的工具，傾聽來自宇宙的回聲?！疤剿骺茖W(xué)能讓人獲得一種平靜的快樂，你可以躲進(jìn)小樓成一統(tǒng)，尋找自然界的和諧與美。”