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(xué)家潘建偉在奧地利維也納實(shí)驗(yàn)站演示量子糾纏態(tài)遠(yuǎn)距離分送

潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了“測(cè)量器件無關(guān)的”量子通信，從而解決了單光子探測(cè)系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現(xiàn)實(shí)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全性。該成果被美國物理學(xué)會(huì)《物理》雜志評(píng)選為年度國際物理學(xué)重大進(jìn)展。

前不久，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授的研究小組，采用光子級(jí)聯(lián)編碼的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于任意噪聲都具有高容錯(cuò)率的薛定諤貓態(tài)，朝著實(shí)現(xiàn)大尺度量子網(wǎng)絡(luò)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(gè)光量子操縱實(shí)驗(yàn)室；2003年，他提出了量子衛(wèi)星計(jì)劃，那時(shí)他才30歲出頭；2011年，41歲的潘建偉成為當(dāng)時(shí)最年輕的中科院院士。1997年以來，他和他的團(tuán)隊(duì)在《自然》及《自然》子刊、《美國國家科學(xué)院院刊》、《物理評(píng)論快報(bào)》等國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表學(xué)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(xué)習(xí)物理，完全出于興趣愛好。1987年高考時(shí)候，他本有機(jī)會(huì)被保送到浙江大學(xué)讀當(dāng)時(shí)的熱門專業(yè)?！叭绻邮鼙Ｋ?，可能就無法繼續(xù)我的物理夢(mèng)了?！蹦悄昱私▊タ既胫袊萍即髮W(xué)近代物理系。

“牛頓力學(xué)將一切歸結(jié)為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，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(yùn)行、以實(shí)物的形式到達(dá)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(xué)是一種積極向上的科學(xué)，令人著迷，又催人奮進(jìn)。如果一個(gè)人是處在‘成功’和‘失敗’的‘迭加態(tài)’上，那么個(gè)人奮斗會(huì)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(xué)獲得理論物理碩士學(xué)位后，潘建偉投身奧地利維也納大學(xué)蔡林格教授門下攻讀博士學(xué)位。彼時(shí)，導(dǎo)師正組織量子信息實(shí)驗(yàn)研究方面第一個(gè)國際合作項(xiàng)目。此前，量子信息一直處在理論研究階段，還沒有實(shí)驗(yàn)支撐。

而潘建偉腦子里也正醞釀著一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案。一個(gè)月后，他覺得方案成熟了，便興奮地向研究小組里報(bào)告他的設(shè)想。然而，報(bào)告結(jié)束后全組沒一個(gè)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)睦碚摲桨竼幔磕悴恢牢覀兞硪粋€(gè)小組正在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)嗎？”

潘建偉確實(shí)不知道，但他認(rèn)為這是上天的眷顧。他堅(jiān)定地對(duì)導(dǎo)師說：“我要加入這個(gè)實(shí)驗(yàn)！”

1997年，題為“實(shí)驗(yàn)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(rèn)為量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開山之作，被歐洲物理學(xué)會(huì)和美國物理學(xué)會(huì)評(píng)為世界物理學(xué)年度重大進(jìn)展，被美國《科學(xué)》雜志評(píng)為年度全球十大科技進(jìn)展，還被《自然》雜志選為“百年物理學(xué)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(xué)到手

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

潘建偉在與他的同學(xué)楊濤教授一道組織科研隊(duì)伍、開展實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的同時(shí)，還繼續(xù)在維也納大學(xué)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(píng)論快報(bào)》的論文就有7篇。

2004年，潘建偉研究組在國際上首次實(shí)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(shí)現(xiàn)非常困難，但是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(cuò)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(shí)入選歐洲物理學(xué)會(huì)和美國物理學(xué)會(huì)評(píng)選出的年度國際物理學(xué)重大進(jìn)展。這對(duì)中國科學(xué)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(xué)從事量子存儲(chǔ)的合作研究。潘建偉說：“海德堡大學(xué)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(xué)到手?！?/p>

幾年下來，潘建偉團(tuán)隊(duì)在冷原子量子存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)實(shí)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(tuán)隊(duì)

回國后，潘建偉致力于將不同學(xué)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(fēng)箏收線一般，悉數(shù)回國，使中國科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)得到了空前的壯大。

“我們已經(jīng)是一個(gè)有國際影響力的團(tuán)隊(duì)，他們?cè)谶@里大有用武之地。”潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的中國科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室量子物理與量子信息研究部可謂人才濟(jì)濟(jì)，光是“青年千人計(jì)劃”教授、“百人計(jì)劃”教授就有十來個(gè)。

潘建偉帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)取得了多個(gè)令人驚羨的“第一”：實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了16公里自由空間量子態(tài)隱形傳輸，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)量子態(tài)隱形傳輸距離的世界紀(jì)錄，證明了基于自由空間進(jìn)行遠(yuǎn)距離量子通信的可行性；在國際上首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了八光子薛定諤貓態(tài)，刷新了由潘建偉團(tuán)隊(duì)保持的多光子糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄；利用八光子糾纏態(tài)，在國際上首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)，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(gè)艱苦卓絕的英雄主義的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)”；在國際上首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，通過地基實(shí)驗(yàn)證明了實(shí)現(xiàn)基于量子衛(wèi)星的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)和開展大尺度基本物理問題實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的可行性，《自然》審稿人稱為“另一個(gè)英雄的實(shí)驗(yàn)工作”。“在光量子糾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(cè)量與計(jì)算學(xué)會(huì)授予2012年度國際量子通信獎(jiǎng)，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(xiàn)”。他是獲得這一榮譽(yù)的首位華人物理學(xué)家。

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

讓量子世界造福人間

量子通信技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究關(guān)乎國家信息安全戰(zhàn)略。2009年4月，潘建偉團(tuán)隊(duì)在合肥市建立了世界上首個(gè)多節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(tuán)隊(duì)完成了包括幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)的合肥城區(qū)量子通信網(wǎng)絡(luò)示范工程，規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國際上已有的量子通信網(wǎng)絡(luò)，并在合肥市得以應(yīng)用，標(biāo)志著大容量的量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)取得關(guān)鍵性突破。同年，該團(tuán)隊(duì)與新華社合作建設(shè)的“金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)”開通，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了利用量子通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)金融信息的安全傳輸。同年11月，該團(tuán)隊(duì)研制的“基于量子通信的高安全通信保障系統(tǒng)”投入運(yùn)行，為“十八大”等國家重要政治活動(dòng)提供信息安全保障。

2013年，潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了“測(cè)量器件無關(guān)的”量子通信，從而解決了單光子探測(cè)系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現(xiàn)實(shí)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全性。該成果被美國物理學(xué)會(huì)《物理》雜志評(píng)選為年度國際物理學(xué)重大進(jìn)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(dòng)了千公里光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”項(xiàng)目，潘建偉出任該項(xiàng)目首席科學(xué)家。2016年前后，將建成連接北京、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)。

“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?！迸私▊F(tuán)隊(duì)牽頭組織了“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，預(yù)計(jì)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(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。這將為物理學(xué)家提供一個(gè)測(cè)試量子理論基礎(chǔ)以及探索如何融合量子理論與愛因斯坦廣義相對(duì)論的全新平臺(tái)。