國家科技獎勵大會舉行 一張圖告訴你什麼是多光子糾纏干涉度量學
今天，代表中國自然科學領域最高獎項的國家自然科學獎一等獎在萬眾期待中揭曉，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。值得一提的是，該團隊的成員均為“70後”“80後”的青年科學家。據中國青年報消息，項目組利用自主研製的量子通信裝備，已經為60週年國慶閲兵、“十八大”、抗戰勝利70週年閲兵等國家重要政治活動提供了信息安全保障。
量子信息的物理基礎和應用技術研究對保障國家信息安全和發展下一代信息產業有着深遠的影響，已經成為世界主要發達國家優先發展的科技高地，國際競爭非常激烈。
以該團隊成員為代表的中國科學家長期從事量子力學基礎問題實驗檢驗，對光量子操縱方法進行了深入、系統的研究，系統地發展了多光子糾纏操縱技術，並創新性地應用於量子通信、量子計算等多個研究方向，引領和推動了多光子糾纏干涉量度學的發展，取得了廣域量子通信和光學量子信息處理等領域的系統性關鍵突破，並將量子保密通信技術真正帶入實際應用。
什麼是“多光子糾纏及干涉度量”
簡單地説，多光子糾纏及干涉度量就是根據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，並對光子、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典信息技術的瓶頸。
“實現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。”潘建偉説，正如2012年諾貝爾物理學獎獲得者大衞·維因蘭德所指出的，“糾纏粒子數越多，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了五光子糾纏和終端開放的量子態隱形傳輸，這一成果被《自然》雜誌發表，並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，這對中國科學家來説是首次。此後，潘建偉團隊分別於2007年製備出六光子糾纏、2012年製備出八光子糾纏，並一直保持着糾纏光子數目的世界紀錄。
在此基礎上，團隊於2007年在國際上首次實現了安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發，從而打開了量子通信技術實用化的大門，2008年實現了國際上首個全通型量子通信網絡，2012年建成首個規模化量子通信網絡。
據瞭解，量子通信克服了經典加密技術內在的安全隱患，是迄今唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式，可以從根本上解決國防、金融、政務、能源、商業等領域的信息安全問題。項目組利用自主研製的量子通信裝備，已經為60週年國慶閲兵、“十八大”、抗戰勝利70週年閲兵等國家重要政治活動提供了信息安全保障。
“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，起碼要實現幾十到上百個量子比特的糾纏。”潘建偉説。
潘建偉團隊重要成員之一、國家傑出青年基金獲得者陸朝陽教授則給自己定了一個時間表，“爭取在5年之內，實現20～30個光子的糾纏”。
量子理論給世界帶來哪些改變
在量子物理學誕生的100多年裏，對它的研究始終長盛不衰。有人説，我們的現代文明，從電腦到激光，從核能到生物技術，幾乎沒有哪個領域不依賴量子理論。那麼，量子理論到底是什麼?它能給我們的生活帶來哪些改變?
量子是指微觀世界裏不可分割的基本個體，比如日常生活中的光，就是由大量光量子組成的。量子有着諸如未知量子態不可複製、量子非定域性等不同於宏觀物理世界的奇妙特性，若能掌握這些特性，則有望實現對信息處理能力革命性的突破。
例如量子具有疊加性，如果能製造出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。
在可擴展的量子計算與模擬、量子精密測量方面，項目組將繼續在光與冷原子系統、超導系統中發展多粒子糾纏操縱技術，希望通過10年左右的努力，實現上百個量子比特的糾纏，實現量子計算機的基本功能。儘管實現真正意義上的通用量子計算機還比較遙遠，但是專用於解決特定問題的量子模擬機非常有希望在5至10年內取得重大突破。
眾所周知，在古典四大名著之一的《西遊記》裏，孫悟空一個“筋斗雲”就能越過十萬八千里，也許明朝的作家吳承恩怎麼也不會想到，幾百年後科學家已經在微觀粒子的層面上實驗上驗證了“筋斗雲”這種超能力的可實現性。利用量子糾纏發展出的量子隱形傳態，可以將物質的未知量子態精確傳送到遙遠地點，就像孫悟空的“筋斗雲”一樣，可以實現從A地到B地的瞬間傳輸。
潘建偉團隊已經在實驗上證明了這種可能性：2004年，利用五光子糾纏，團隊首次實現縣了終端開放的、多接收用户的量子隱形傳態;2006年，利用六光子糾纏，團隊首次實現了兩粒子複合系統的量子隱形傳態;2015年更是首次實現了多個自由度的量子隱形傳態。
“如果我們帶着一個保險箱去北京開會，而保險箱的鑰匙落在合肥了，在合肥的同事可以通過量子隱形傳態將鑰匙的每一個特徵都精確傳送到北京，而在此過程中他並不掌握這把鑰匙的任何信息。這在經典世界中是不可想象的。”潘建偉舉例説。
潘建偉團隊有着明確的科研路線圖：通過量子通信研究，從初步實現局域量子通信網絡，到實現多橫多縱的全球範圍量子通信網絡，以保證信息傳輸的絕對安全;通過量子計算研究，為大規模計算難題提供解決方案，實現大數據時代信息的有效挖掘;通過量子精密測量研究，實現新一代定位導航等等。
據瞭解，該團隊牽頭承擔的中科院戰略性先導科技專項“量子科學實驗衞星”將於今年發射，屆時可以實現高速星地量子通信、並連接地面的城域量子通信網絡，初步構建我國廣域量子通信體系。
同時，團隊牽頭承擔的千公里光纖量子通信骨幹網工程“京滬幹線”項目正在穩步建設，將於今年年底前後建成連接北京、上海的高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網絡，將推動量子通信技術在國防、政務、金融等領域的應用。
科研需要長遠規劃和羣體作戰
“科研需要長遠規劃和羣體作戰，不能單打獨鬥”。打鐵還需自身硬，潘建偉從2001年就開始人才佈局。從中國科大起步，人才佈局分別輻射奧地利因斯布魯克大學、英國劍橋大學、德國馬普量子光學所、瑞士日內瓦大學、美國斯坦福大學……2008年，潘建偉帶領在德國的團隊整體迴歸中國科大，而其他分佈在世界各地的年輕人也陸續回國，以陳宇翱、陸朝陽、張強、趙博等為代表的一批優秀的青年學者組成了一支精幹的研究團隊。
“周密部署、高點起步，成效顯著。”2003年至今，潘建偉團隊的成果8次入選兩院院士評選的“年度十大科技進展新聞”，1次入選《自然》雜誌評選的“年度十大科技亮點”，3次入選英國物理學會評選的“年度物理學重大進展”，3次入選美國物理學會評選的“年度物理學重大事件”。
2007年，英國《新科學家》雜誌曾在“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佔據了一席之地”;2012年，英國《自然》雜誌在報道該項目團隊量子通信研究成果的新聞特稿“量子太空競賽”中不吝讚美之詞：“這標誌着中國在量子通信領域的崛起，從十年前不起眼的國家發展為現在的世界勁旅，將領先於歐洲和北美……”
團隊為什麼能取得如此多的成果?“有好的機遇”，彭承志謙虛地説，“興趣決定我們到底能走多遠，堅持讓我們時刻準備着”。
遇到過困難嗎?“困難經常有”，剛完成博士論文時，潘建偉覺得光子糾纏的方向已經沒法再深入了，“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，團隊成員、菲涅爾獎得主陳宇翱説，“在學術問題上，我們經常“吵架”。潘建偉説，“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”。
許多人並不知道的是，每當合肥這座中部城市陷入沉睡的時候，這羣科學家們往往都在伏案工作，大腦仍在劇烈地運轉。“我們沒有工作日和週末之分”，陳宇翱笑言，“有時候為了一個實驗數據，可能會工作到深夜兩三點”。只有當一個大的突破做出之後，才能陪家人出去走走，既是一種放鬆，也是對家人的補償。
通過科學研究進一步提升國力、造福人類
“回想自己一生，經歷過許多坎坷，唯一希望的就是祖國繁榮昌盛、科學發達，我們已經盡了自己的力量，但國家尚未擺脱貧困與落後，尚需當今與後世無私的有為青年再接再厲，繼續努力。”這是著名物理學家、中國科大近代物理系首任系主任趙忠堯生前的一段話。新中國剛剛成立時，他克服重重困難回國效力，成為新中國國防科技事業的重要奠基人。如今，這段話被銘刻在在位於上海的中國科大量子工程中心一樓大廳的顯著位置。
這段話被潘建偉記在心裏，他始終不忘一點，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”。
在德國期間，潘建偉住所樓下有個經營蔬菜的小店鋪。每年，店主都會停業五週，帶着家人去度假，這件事給他的觸動很大。
“德國有着發達的科學技術和精良的製造業，這些都為德國的經濟發展起了強大的推動作用，而經濟發展最直接的受益者就是普通百姓。”潘建偉現在思考的是，科學家在基礎研究之外，如何注意科技成果的轉化，為經濟發展做貢獻。
“科學研究不僅要仰望星空，也要腳踏實地，”他感慨道：“我們不能再像以前那樣，用一火車的東西去換人家一皮包的芯片。我們不僅要關注原始創新也要鼓勵成果轉化，為國計民生做些事情，讓普通老百姓享受科技帶來的利益。我們的團隊正在朝着這個方向努力。”
陳宇翱是潘建偉的弟子，他們二人是唯一兩位“菲涅爾獎”的華人獲得者。2008年，陳宇翱從海德堡大學物理所博士畢業後，留在實驗室擔任研究助理。其實，早在陳宇翱2004年前往海德堡之前，導師潘建偉就對他明確表示，希望他學成後能夠回國從事科研工作。陳宇翱欣然應允。2011年年底，陳宇翱兑現當初的承諾，全職回到母校中國科大工作。
在這位80後的科學家看來，“量子世界貌似離人們很遠，其實卻很近，比如目前銀行中的加密系統，我們只能買國外的技術。相信在不久的將來，我們就會用上自己的量子加密技術。”(中青在線北京1月8日電)