潘建伟院士:他与量子的纠缠从未停止

他与量子的纠缠从未停止

——访2015年国家自然科学奖一等奖获得者潘建伟院士

1996年，当潘建伟来到奥地利因斯布鲁克大学攻读博士学位时，量子力学实验研究世界级大师蔡林格教授的第一个问题是：“你的梦想是什么？”潘建伟回答，“在中国建立世界领先的量子实验室”。

2001年，潘建伟回到中国科学技术大学建立实验室，此后与团队一起在量子信息领域取得了多次重大突破。他和同事们先后六次获得英国物理学会、美国物理学会评选的年度国际物理学重大突破等荣誉。今天，潘建伟团队以“多光子纠缠及干涉度量”研究成果问鼎国家自然科学奖一等奖。

“随着国家综合实力提高，长久的耕耘终到了收获的时候！”谈及此次获奖，潘建伟的笑容质朴而从容。  

“让国家和老百姓享受科学成果”  

20世纪，随着计算能力提高，曾经坚不可摧的密码在窃听与黑客攻击下面临越来越大的隐患。相关犯罪每年会带给全球数千亿美元损失。

“突破信息安全的瓶颈对于保护公民和国家机密资源至关重要。”潘建伟把目光投向了量子通信。

量子通信是目前唯一安全性被严格证明的通信方式，但其实现难度超乎想象。激光管每秒钟发出光子约有1016个，要把它们一个个分离出来制造单光子阻力重重，何况还要加载信息，传输出去，最后还要探测到。经过多年努力，2007年，潘建伟团队利用诱骗态方法，克服了现实条件下光源不完美带来的隐患，在国际上首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发，开启了量子通信技术实用化大门。

但新问题随之而来。在城市中光纤资源丰富，利用光纤来实现量子通信固然是最有效的途径。但光纤有不可避免的损耗，随着距离增加，光子几乎全部被吸收。这意味着仅靠光纤，量子通信只能停留在短距离应用上。

潘建伟很早就意识到这一点，在发展光纤量子通信技术的同时，开展自由空间中的量子通信研究。2005年，潘建伟团队发表了题为“13公里自由空间纠缠光子分发：朝向基于人造卫星的全球化量子通信”的论文，证明当纠缠光子分发经过相当于整个竖直大气层后，其纠缠特性仍能保持，向世人宣告通过卫星实现全球化量子通信成为可能。此后他们的一系列突破，为最终实现星地量子通信奠定了坚实基础。

在国家发改委支持下，项目组开始筹建“京沪干线”，预计2016年底建成连接北京和上海的千公里级广域光纤量子通信网络；首颗“量子科学实验卫星”将于2016年发射，以初步构建我国“天地一体”的广域量子通信体系。未来的量子通信，在原理上完全保密，不能被窃听，将在国防、政务、金融等领域会有非常重要的应用。

对纠缠态的研究，可为将来高速度的量子计算机打下基础。“求解一个包含1024个变量的方程组，利用目前最快的天河2号超级计算机要100年，而利用工作频率比天河2号还要慢一万倍的量子计算机，只要0.01秒。”潘建伟说。

在潘建伟团队组建之初，国际上对多光子纠缠实验制备和操纵几乎空白。为了攻克这一世界性难题，潘建伟项目组与之纠缠了近十年。2003年，团队终于实现四光子纠缠态，此后又先后实现五光子（2004年）、六光子（2007年）、八光子纠缠（2012年），一直保持着纠缠光子数目的世界纪录。团队基于国际领先的多光子纠缠操纵技术，在国际上率先实现了绍尔算法、拓扑量子纠错、快速求解线性方程组算法、量子机器学习等几乎所有重要量子算法的验证。尽管实现通用的量子计算机还比较遥远，但量子计算原理已得到充分验证，随着技术不断发展，在未来10到15年，在某些特定问题处理方面将具备超越目前最快的超级计算机的能力。

“我们有责任让国家和老百姓享受科学成果。”潘建伟说。  

“开一家百年老店”

“我最初没有想过出国，英语太差，单词始终记不住。”

彼时，量子信息在国内没有被广泛认可，发展缓之又缓。一心想要在中国开展量子信息实验研究的潘建伟感到前所未有的焦虑。思前想后，他在1996年来到量子力学的前沿奥地利深造。

从记不住单词到与国际一流大师比肩，其间苦乐，冷暖自知，但学术自信和权威逐步建立；与时间赛跑，每周工作7天、每天超过12个小时，是家常便饭。

“要让中国的实验室成为百年老店，需要不同学科背景的年轻人才。”在潘建伟回国之初，国内量子信息领域人才储备极为薄弱。他一面招收研究生和博士后，一面选派学生到国际先进小组学习，完成了人才和技术的原始积累。

如今，以彭承志、陈宇翱、陆朝阳等为代表的青年学者组成了强大的研究团队，英国《自然》杂志指出：“这标志着中国在量子通信领域的崛起，从十年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅，将领先于欧洲和北美。”

潘建伟很在意的下一步的科研路线：“要通过量子通信研究，实现天地一体的全球范围量子通信网络；通过量子计算研究，实现大数据时代信息的有效挖掘，揭示高温超导、高效人工固氮等复杂物理体系的规律；通过量子精密测量研究，实现新一代自主导航、医学检验、引力波探测。”

他与量子的纠缠仍在继续。