推開量子世界之門

——訪2015年度國家自然科學獎一等獎得主“多光子糾纏及干涉度量”團隊

1月8日，國家自然科學獎一等獎揭曉，中國科學技術大學潘建偉、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”團隊獲此殊榮。

此前一個月，英國物理學會新聞網(wǎng)站《物理世界》評選出的2015年度國際物理學十大突破公布，潘建偉和陸朝陽因首次實現(xiàn)同時量子隱形傳輸一個基本粒子（光子）的兩個內(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。

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信息進行編碼、存儲、傳輸和邏輯操作，并對光子、原子等微觀粒子進行精確操縱，以確保通信安全和提升計算速度等方面可以突破經(jīng)典信息技術的瓶頸。

“實現(xiàn)對多粒子糾纏的相干操縱是量子信息技術的關鍵科學任務，也是量子信息處理的核心物理資源。”潘建偉說，正如2012年諾貝爾物理學獎獲得者Wineland所指出的，“糾纏粒子數(shù)越多，量子力學非定域性越強烈，對量子信息處理也越有用”。

2004年，潘建偉團隊在國際上首次實現(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，并同時入選英國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。此后，潘建偉團隊分別于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)目的世界紀錄。

在此基礎上，團隊于2007年在國際上首次實現(xiàn)了安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，2008年實現(xiàn)了國際上首個全通型量子通信網(wǎng)絡，2012年建成首個規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡。

“這次獲獎，是對我們多年來深耕在量子領域的肯定。當然這還遠遠不夠，未來還有更難啃的‘硬骨頭’，要實現(xiàn)有實用價值的量子模擬機和量子計算機的基本功能，起碼要實現(xiàn)幾十到上百個量子比特的糾纏?！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，則有望實現(xiàn)對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個粒子相干操縱的量子計算機，在某些問題方面的處理能力將會比目前最快的超級計算機“天河二號”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)精確傳送到遙遠地點，可以實現(xiàn)從A地到B地的瞬間傳輸。

潘建偉團隊有著明確的科研路線圖：通過量子通信研究，從初步實現(xiàn)局域量子通信網(wǎng)絡，到實現(xiàn)多橫多縱的全球范圍量子通信網(wǎng)絡，以保證信息傳輸?shù)慕^對安全；通過量子計算研究，為大規(guī)模計算難題提供解決方案，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)時代信息的有效挖掘；通過量子精密測量研究，實現(xiàn)新一代定位導航等等。

團隊牽頭承擔的中科院戰(zhàn)略性先導科技專項“量子科學實驗衛(wèi)星”將于今年發(fā)射，屆時可以實現(xiàn)高速星地量子通信、并連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡，初步構(gòu)建我國廣域量子通信體系。

“科研需要長遠規(guī)劃”

“科研需要長遠規(guī)劃和群體作戰(zhàn)，不能單打獨斗”。潘建偉從2001年就開始人才布局。2007年，英國《新科學家》雜志曾在“中國崛起”特刊中，高度評價道，“潘和他的同事使得中國科學技術大學——因而也是整個中國——牢牢地在量子計算的世界地圖上占據(jù)了一席之地”；2012年，英國《自然》雜志在報道該項目團隊量子通信研究成果的新聞特稿中不吝贊美之詞：“這標志著中國在量子通信領域的崛起，從十年前不起眼的國家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領先于歐洲和北美……”

為什么能取得如此多的成果？“有好的機遇”，彭承志謙虛地說，“興趣決定我們到底能走多遠，堅持讓我們時刻準備著”。

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

爭論是這個團隊的常態(tài)，團隊成員、菲涅爾獎得主陳宇翱說，“在學術問題上，我們經(jīng)?！臣堋?。”潘建偉說，“我隨時準備改變我的想法，團隊的開放包容和緊密合作才能促進各自的成長。”

一份堅定的家國情懷

潘建偉始終不忘一點，個人的命運是和國家緊密相連的，當年毅然回國，就是想“通過科學研究進一步提升國力、造福人類”。

“德國有著發(fā)達的科學技術和精良的制造業(yè)，這些都為德國的經(jīng)濟發(fā)展起了強大的推動作用，而經(jīng)濟發(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，科學家在基礎研究之外，如何注意科技成果的轉(zhuǎn)化，為經(jīng)濟發(fā)展作貢獻。

“科學研究不僅要仰望星空，也要腳踏實地?！迸私▊ジ锌拔覀儾粌H要關注原始創(chuàng)新，也要鼓勵成果轉(zhuǎn)化，為國計民生做些事情，讓普通老百姓享受科技帶來的利益?！?/p>