中青报：潘建伟团队打开量子世界大门

中国青年报:潘剑伟团队开启量子世界之门

通讯员刘爱华中国青年报，中国青年在线通讯员王乐妍

今天，代表中国自然科学领域最高奖项的国家自然科学奖一等奖在期待中揭晓。中国科技大学的“多光子纠缠与干涉测量”团队，以潘剑伟、彭承志、陈玉傲、卢朝扬、陈增成为主要贡献者，获得了这一荣誉。值得一提的是，这个团队的成员都是“70后”和“80后”的年轻科学家。

量子信息的物理基础和应用技术的研究对国家信息安全的保护和下一代信息产业的发展具有深远的影响。它已经成为世界主要发达国家优先发展的科技高地，国际竞争非常激烈。

以团队成员为代表的中国科学家长期以来一直从事量子力学基本问题的实验研究。他们对光学量子操控方法进行了深入系统的研究，系统开发了多光子纠缠操控技术，并将其创新性地应用于量子通信、量子计算等多个研究方向。他们引领和推动了多光子纠缠干涉技术的发展，在广域量子通信和光量子信息处理领域取得了系统的关键突破，真正将量子保密通信技术引入实际应用。

什么是“多光子纠缠和干涉测量”

简而言之，多光子纠缠和干涉测量是根据量子物理原理对信息进行编码、存储、传输和逻辑操作的一种新方法，可以精确地操纵光子和原子等微观粒子，从而保证通信安全和提高计算速度等。它可以突破传统信息技术的瓶颈。

“实现多粒子纠缠的相干操控是量子信息技术的关键科学任务，也是量子信息处理的核心物理资源。”潘剑伟说，正如2012年诺贝尔物理学奖获得者大卫·怀恩兰指出的那样，“纠缠粒子越多，量子力学的离域性越强，对量子信息处理越有用。”

2004年，潘剑伟团队在世界上首次实现了具有五光子纠缠和开放终端的量子态隐形传态。这一成果由《自然》杂志发表，并被英国物理学会和美国物理学会选为年度国际物理重大进展，这是中国科学家首次获得此殊荣。此后，潘剑伟团队分别在2007年和2012年制造了六光子纠缠和八光子纠缠，并保持了纠缠光子数量的世界纪录。

在此基础上，该团队于2007年实现了首个安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发，从而为量子通信技术的实际应用打开了大门。2008年，该团队实现了世界上第一个全通量子通信网络，2012年，该团队完成了第一个大规模量子通信网络。

据了解，量子通信克服了经典加密技术固有的安全隐患，是迄今为止唯一被严格证明是无条件和安全的通信方法。它可以从根本上解决国防、金融、政务、能源、商业等领域的信息安全问题。项目组利用自主研发的量子通信设备，为国庆60周年阅兵、十八大、抗战胜利70周年阅兵等重大国家政治活动提供信息安全保障。

“这个奖项肯定了我们多年来在量子领域的深厚修养。当然，这还远远不够。未来还有更多“硬骨头”需要咀嚼。要实现量子模拟器和有实用价值的量子计算机的基本功能，至少要有几十到几百个量子位纠缠在一起。”潘剑伟说道。

潘剑伟团队的重要成员、国家杰出青年基金获得者陆朝扬教授为自己设定了一个时间表:“力争在5年内纠缠20-30个光子”。

量子理论给世界带来了什么变化

在量子物理学诞生的100多年里，它的研究一直很繁荣。有人说，在我们的现代文明中，从计算机到激光，从核能到生物技术，几乎没有哪个领域不依赖量子理论。那么，什么是量子理论？它能给我们的生活带来什么变化？

量子是指微观世界中不可分割的基本个体，如日常生活中的光，它由大量光量子组成。量子具有不同于宏观物理世界的奇妙特性，如未知量子态的不可复制性和量子的非局域性。如果我们能掌握这些特征，我们有望在信息处理能力方面实现革命性的突破。

例如，量子有叠加。如果能制造出一台由100个粒子相干控制的量子计算机，它在某些方面的处理能力将比目前最快的超级计算机天河二号快100亿倍。

在可扩展的量子计算和模拟以及量子精度测量方面，项目组将继续开发光冷原子系统和超导系统中的多粒子纠缠操纵技术，希望通过大约10年的努力实现数百个量子比特的纠缠和量子计算机的基本功能。尽管要实现真正的通用量子计算机还很遥远，但致力于解决特定问题的量子模拟器有望在5到10年内取得重大突破。

众所周知，在四大经典名著之一的《西游记》中，孙悟空一个“筋斗云”就能翻越千里。或许明代作家吴承恩绝不会想到，数百年后，科学家们已经在微观粒子层面上验证了“筋斗云”这一超级能力的实现。由量子纠缠发展起来的量子隐形传态，可以像孙悟空的“筋斗云”一样，准确地将未知的物质量子态传输到遥远的地方，实现从A到b的瞬时传输

潘剑伟团队在实验中证明了这种可能性:2004年，利用五光子纠缠，该团队首次实现了开放终端和多接收用户的量子隐形传态；2006年，该团队首次利用六光子纠缠实现了双粒子复合系统的量子隐形传态。2015年，多*度量子隐形传态首次实现。

“如果我们带着保险箱去北京开会，保险箱的钥匙留在合肥，合肥的同事可以通过量子隐形传态准确地把钥匙的每一个特征传送到北京，而在这个过程中他没有任何关于钥匙的信息。这在经典世界是不可想象的。”潘剑伟举了一个例子。

潘剑伟团队有一个清晰的科研路线图:通过量子通信研究，从最初实现本地量子通信网络到实现多个水平和垂直方向的全球量子通信网络，确保信息传输的绝对安全；通过量子计算研究，为大规模计算问题提供解决方案，实现大数据时代有效的信息挖掘。通过量子精密测量研究，实现新一代定位导航等。

据了解，由该团队牵头的中国科学院科技战略试点项目“量子科学实验卫星”将于今年发射。它将能够实现高速的星地量子通信，并与地面的城域量子通信网络相连接，从而初步建成中国的广域量子通信系统。

与此同时，由该团队牵头的1000公里光纤量子通信骨干工程“京沪干线”工程正在稳步建设中。连接北京和上海的高可靠、可扩展的广域光纤量子通信网络将于今年年底建成，这将推动量子通信技术在国防、政务、金融等领域的应用。

科学研究需要长期规划和群体战争。

“科学研究需要长期规划和团体作战，不能单独作战。”潘剑伟在炼铁方面仍有努力的必要。自2001年以来，人才的分配已经开始。从中国科技大学开始，人才分布辐射奥地利因斯布鲁克大学、英国剑桥大学、德国马克斯·普朗克量子光学研究所、瑞士日内瓦大学和美国斯坦福大学。2008年，潘剑伟带领德国队重返中国科技大学，而来自世界各地的其他年轻人也相继回国。以陈郁敖、鲁超杨、张强、赵波为代表的一批优秀青年学者组成了一支精干的研究队伍。

"部署周密，起点高，效果显著."自2003年以来，潘建伟团队的成果在两院院士评选的“年度十大科技进步新闻”中被评选8次，在《自然》杂志评选的“年度十大科技亮点”中被评选1次，在英国物理学会评选的“年度物理重大进展”中被评选3次，在美国物理学会评选的“年度物理重大事件”中被评选3次。

2007年，英国杂志《新科学家》在《中国的崛起》特刊中高度评价“潘和他的同事们使中国科技大学——乃至整个中国——在世界量子计算地图上占据了一席之地”。2012年，英国杂志《自然》(Nature)在报道量子通信的研究成果时称赞了项目团队的新闻专题“量子空间竞赛”(Quantum Space Contest)，称:“这标志着中国在量子通信领域的崛起，从十年前的一个小国发展到如今的世界强国，领先于欧洲和北美……”

为什么团队取得了如此多的成果？“有好机会，”彭承志谦虚地说。“兴趣决定我们能走多远。我们坚持认为我们随时准备好。”

你遇到什么困难了吗？当潘剑伟第一次完成他的博士论文时，他觉得光子纠缠的方向不能再进一步深化了。“当时，他非常困惑。”然而，坚持下去，只是为了展示树的阴暗面。

辩论是这个团队的常态。团队成员、菲涅尔奖获得者陈玉瑶说，“我们经常在学术问题上‘争吵’。潘剑伟说，“我随时准备改变主意。只有团队的开放、包容和密切合作才能促进他们各自的成长。"

许多人不知道的是，当合肥这个中心城市陷入沉睡时，这些科学家经常在办公桌前工作，他们的大脑仍然在剧烈运转。“我们没有工作日和周末，”陈玉傲笑着说。"有时，为了实验数据，我们可能工作到深夜两三点钟。"只有在取得重大突破后，一个人才能和家人出去，这既是对家庭的放松，也是对家庭的补偿。

通过科学研究进一步增强国力，造福人类

“回顾我的生活，我经历了许多挫折。唯一的希望是我们的祖国繁荣和科学。我们已经尽了最大努力，但是我们的国家还没有摆脱贫困和落后。我们现在和将来仍然需要无私和有前途的年轻人做出不懈的努力。”这是中国科技大学现代物理系首任系主任、著名物理学家赵忠尧的一句话。新中国成立之初，他克服重重困难回到中国，成为新中国国防科技的重要奠基人。今天，这段文字被刻在上海中国科技大学量子工程中心一楼大厅的显著位置。

潘剑伟牢记着这段话，他永远不会忘记，一个人的命运与国家的命运息息相关。那一年，他毅然回国，“通过科学研究进一步增强国力，造福人类”。

在德国期间，潘剑伟的住处楼下有一家小蔬菜店。每年，店主都会停业五周，带着家人去度假，这让他非常感动。

“德国发展了科学技术和优秀的制造业，对德国的经济发展起到了强大的推动作用，经济发展最直接的受益者是普通人。”潘剑伟现在想的是，除了基础研究，科学家们应该如何关注科技成果的转化，如何为经济发展做出贡献。

“科学研究不仅应该仰望星空，还应该脚踏实地，”他感叹道。“我们再也不能像以前那样用火车上的东西换别人钱包里的筹码了。我们不仅要注重原始创新，还要鼓励成果转化，为国计民生做点事，让老百姓享受科技带来的好处。我们的团队正朝着这个方向努力。”

陈玉傲是潘剑伟的弟子。他们是唯一两位获得菲涅尔奖的中国人。2008年，陈郁·奥从海德堡大学物理研究所毕业后留在实验室做研究助理。事实上，早在2004年陈宇骜去海德堡之前，他的导师潘剑伟就向他明确表示，希望他毕业后能回到中国从事科研工作。陈玉傲欣然同意。2011年底，陈郁·奥实现了他最初的承诺，回到了他的母校中国科技大学，开始全职工作。

根据这位80后科学家的说法，“量子世界似乎离人类很远，但实际上非常近。例如，目前，我们只能在银行购买加密系统的外国技术。我相信在不久的将来，我们将使用我们自己的量子加密技术。”(中国青年在线，北京，1月8日)

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