推開量子世界之門

——訪2015年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)得主“多光子糾纏及干涉度量”團(tuán)隊(duì)

1月8日，國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)揭曉，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、彭承志、陳宇翱、陸朝陽、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。

此前一個(gè)月，英國物理學(xué)會(huì)新聞網(wǎng)站《物理世界》評(píng)選出的2015年度國際物理學(xué)十大突破公布，潘建偉和陸朝陽因首次實(shí)現(xiàn)同時(shí)量子隱形傳輸一個(gè)基本粒子（光子）的兩個(gè)內(nèi)秉屬性的工作入選，并位列榜首，這也是中國本土完成的工作首次獲此榮譽(yù)。

什么是“多光子糾纏及干涉度量”

簡單地說，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?！迸私▊フf，正如2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Wineland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，這一成果被《自然》雜志發(fā)表，并同時(shí)入選英國物理學(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。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年在國際上首次實(shí)現(xiàn)了安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，2008年實(shí)現(xiàn)了國際上首個(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)。

“這次獲獎(jiǎng)，是對(duì)我們多年來深耕在量子領(lǐng)域的肯定。當(dāng)然這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，未來還有更難啃的‘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?！迸私▊フf。

量子理論如何為我所用

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。

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)，可以實(shí)現(xiàn)從A地到B地的瞬間傳輸。

潘建偉團(tuán)隊(duì)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；通過量子精密測量研究，實(shí)現(xiàn)新一代定位導(dǎo)航等等。

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)建我國廣域量子通信體系。

“科研需要長遠(yuǎn)規(guī)劃”

“科研需要長遠(yuǎn)規(guī)劃和群體作戰(zhàn)，不能單打獨(dú)斗”。潘建偉從2001年就開始人才布局。2007年，英國《新科學(xué)家》雜志曾在“中國崛起”特刊中，高度評(píng)價(jià)道，“潘和他的同事使得中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)——因而也是整個(gè)中國——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《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中不吝贊美之詞：“這標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域的崛起，從十年前不起眼的國家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美……”

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，“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”。

遇到過困難嗎？“困難經(jīng)常有”，剛完成博士論文時(shí)，潘建偉覺得光子糾纏的方向已經(jīng)沒法再深入了，“當(dāng)時(shí)很困惑”，然而堅(jiān)持下來，卻是柳暗花明。

爭論是這個(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，“在學(xué)術(shù)問題上，我們經(jīng)常‘吵架’。”潘建偉說，“我隨時(shí)準(zhǔn)備改變我的想法，團(tuán)隊(duì)的開放包容和緊密合作才能促進(jìn)各自的成長。”

一份堅(jiān)定的家國情懷

潘建偉始終不忘一點(diǎn)，個(gè)人的命運(yùn)是和國家緊密相連的，當(dāng)年毅然回國，就是想“通過科學(xué)研究進(jìn)一步提升國力、造福人類”。

“德國有著發(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?！迸私▊ガF(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)展作貢獻(xiàn)。

“科學(xué)研究不僅要仰望星空，也要腳踏實(shí)地?！迸私▊ジ锌?，“我們不僅要關(guān)注原始創(chuàng)新，也要鼓勵(lì)成果轉(zhuǎn)化，為國計(jì)民生做些事情，讓普通老百姓享受科技帶來的利益?！?/p>