量子通信技術(shù)對保障國家信息安全具有重要戰(zhàn)略意義。10年來，我國量子通信研究發(fā)展迅速，取得一批重要原創(chuàng)成果?！敖鹑谛畔⒘孔油ㄐ膨炞C網(wǎng)”的開通，對推動量子信息技術(shù)更好服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展產(chǎn)生了積極示范作用。首次成功實現(xiàn)百公里量級的自由空間量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，為量子通訊衛(wèi)星的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，《自然》雜志稱這項技術(shù)“有望成為遠(yuǎn)距離量子通信的里程碑”。

　　8月9日出版的《自然》雜志，刊發(fā)了一篇中國科學(xué)家的論文。這篇論文報告了合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室量子物理與量子信息研究部的一項最新科研進(jìn)展——“實現(xiàn)百公里級自由空間雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)”。它被審稿人評價為：“這是又一個英雄般的實驗，這個實驗有望成為遠(yuǎn)距離量子通信的新里程碑?！?/p>

　　這樣的成果在該研究部并不鮮見，從2001年成立至今，研究部成員已在《美國國家科學(xué)院院刊》等5家頂尖國際期刊上發(fā)表了近百篇高質(zhì)量論文。這個由最年輕的中國科學(xué)院院士潘建偉組建的團(tuán)隊，已憑借其豐碩的研究成果，5次入選歐洲物理學(xué)會評選的“年度物理學(xué)重大進(jìn)展”、4次入選美國物理學(xué)會評選的“年度物理學(xué)重大事件”、6次入選我國兩院院士評選的“年度中國十大科技進(jìn)展新聞”。

　　不斷涌現(xiàn)的成果令世界矚目。世界著名科技新聞雜志——英國的《新科學(xué)家》曾在封面文章《中國崛起——人民的量子計算機(jī)》中這樣評價他們：“中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)——因而也是整個中國——已經(jīng)牢牢地在量子計算的世界地圖上占據(jù)了一席之地。”

　　近日，記者來到安徽合肥采訪，試圖探尋這個科研團(tuán)隊不同尋常的成功奧秘。

　　神奇美麗的量子寶庫

　　“過去100年間，量子力學(xué)給人類帶來了很多重要發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用；希望后100年間，中國科學(xué)家在量子世界的研究，可以為人類帶來更多激動人心的驚喜?！迸私▊フf。

　　“從北京到合肥采訪，你是坐飛機(jī)來的吧。假設(shè)我們用量子糾纏態(tài)來對你進(jìn)行隱形傳輸，前一秒你還在北京，后一秒，啪的一下，北京的你沒有了，初始化為一堆完全混亂的基本粒子，而一個由另一團(tuán)基本粒子組成的、包含原本所有信息的你，已經(jīng)在合肥出現(xiàn)了。從原理上講，量子力學(xué)允許我們這樣以接近光速傳遞一個人?！?/p>

　　采訪潘建偉時，他隨口舉出的例子令人深深感受到量子物理的神奇。量子隱形傳態(tài)不是克隆，因為永遠(yuǎn)只有一份個體，當(dāng)復(fù)制體完成的同時，本體亦不復(fù)存在；量子隱形傳態(tài)又勝似克隆，因為復(fù)制體和本體之間完全一樣，不僅相貌基因那些可測的參數(shù)一模一樣，連記憶思想這些不可測的參數(shù)也一模一樣。

　　與相對論同等重要、被認(rèn)為是現(xiàn)代物理學(xué)兩大支柱之一的量子力學(xué)，在誕生后的100多年間，已帶來原子彈、晶體管、激光、核磁共振、高溫超導(dǎo)、巨磁阻等許多重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)成就。

　　然而在100多年的研究中，盡管揭開了一層又一層的面紗，科學(xué)家們依舊不識量子的廬山真面目。量子世界，就像一座深藏在大山中的寶庫，吸引一代又一代科學(xué)家投身其中，又用它的神秘讓科學(xué)家們徘徊于寶庫外的密道中，難以登堂入室。

　　但這種神秘恰恰激發(fā)了科學(xué)家們的尋寶熱情。

　　對量子的研究將成為未來技術(shù)創(chuàng)新的源泉——在信息科學(xué)方面，量子不僅在提高運(yùn)算速度和確保信息安全方面突破了傳統(tǒng)信息技術(shù)的極限，還能實現(xiàn)超高精度的測量；在物質(zhì)科學(xué)方面，通過量子模擬，我們可以理解復(fù)雜體系的物理機(jī)理，微觀操控物質(zhì)特性，并發(fā)現(xiàn)全新的物質(zhì)形態(tài)；在生命科學(xué)方面，基本生命過程和認(rèn)知過程很可能與量子相干和量子糾纏有關(guān)；而在能源科學(xué)方面，在量子尺度上進(jìn)行能量調(diào)控，可實現(xiàn)能量的高效轉(zhuǎn)換……

　　領(lǐng)先一步的科研競賽

　　“現(xiàn)在就是在賽跑?！标愑畎空f，“我們從5光子開始一路領(lǐng)先。國外追趕5光子時，我們把6光子做出來了。國外現(xiàn)在能做出6光子，我們又做出了8光子?！?/p>

　　1970年出生的潘建偉是一名海歸。1996年從中科大獲得理論物理碩士學(xué)位后，潘建偉進(jìn)入奧地利因斯布魯克大學(xué)，師從塞林格教授，攻讀博士學(xué)位。1997年，他參與的研究論文“實驗量子隱形傳態(tài)”在《自然》雜志發(fā)表，被公認(rèn)為量子信息實驗領(lǐng)域的開山之作，還被美國《科學(xué)》雜志評為年度全球十大科技進(jìn)展。

　　“我是論文的第二作者，主要完成了所發(fā)表實驗數(shù)據(jù)的測量和處理工作?！迸私▊フf，“以這篇論文為起點，量子信息實驗研究隨即進(jìn)入熱門狀態(tài)?！?/p>

　　潘建偉將論文寄給他在中科大讀書時的老師張永德教授。次年的香山科學(xué)會議上，兩位中科大教授張永德和郭光燦一起呼吁與國外同步開展量子信息的前沿研究。

　　1999年，也是潘建偉博士畢業(yè)的年份，他受母校邀請回國，在中科大組建量子物理和量子信息實驗室，并獲得中科院劃撥的400萬元科研經(jīng)費(fèi)。2001年設(shè)備人員都到位，實驗室開張。

　　在廣泛的國際交流和激烈的國際競爭中，這個年輕的團(tuán)隊開始嶄露頭角，在量子糾纏方面成績尤為突出：2004年實現(xiàn)5光子糾纏態(tài)的制備與操縱，2007年實現(xiàn)對6光子糾纏態(tài)的操縱，都是世界第一。

　　今年2月，潘建偉與同事陳宇翱、陸朝陽等成功制備出世界上亮度和純度最佳的8光子糾纏態(tài)，再次刷新光子糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄。目前，他們正在調(diào)研新的糾纏機(jī)制，有望在今年年底或明年實現(xiàn)10個光子的糾纏。

　　量子糾纏是量子信息處理的核心資源，對多粒子糾纏的制備與操縱能力代表了我國在量子信息處理方面的國際競爭力。基于多光子糾纏操縱的領(lǐng)先優(yōu)勢，我國量子科學(xué)家們不斷前進(jìn)，實現(xiàn)了終端開放的量子隱形傳態(tài)、超越經(jīng)典極限的精密測量以及量子糾錯等一系列量子通信、量子計算、量子模擬以及量子度量學(xué)等方面的重要進(jìn)展，奠定了我國在量子信息領(lǐng)域重要的國際地位。

　　安全可靠的量子通信

　　量子通信有著傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對安全性，在國家安全、金融等信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價值和前景。

　　采訪潘建偉團(tuán)隊時，正遇上科技部副部長王志剛來中科大參觀。王志剛在參觀完幾個量子研究實驗室并使用過量子電話后說：“科技工作要更快地為解決重大問題提供幫助，能轉(zhuǎn)化的先轉(zhuǎn)化，能解決局部問題的先轉(zhuǎn)化。在面向市場面向應(yīng)用時，考慮沿途下蛋，最后下個大金蛋?！?/p>

　　不斷進(jìn)步并走向?qū)嵱玫牧孔油ㄐ偶夹g(shù)，正是潘建偉團(tuán)隊在量子信息的基礎(chǔ)研究中，沿途下的“蛋”。從實驗團(tuán)隊走出來的產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊，得到安徽省和山東省的支持，已組建了兩個量子技術(shù)公司。

　　“安徽的公司2009年成立，是我國首個將量子通信產(chǎn)業(yè)化的公司，山東的公司于2010年成立，兩公司各有特色、分工聯(lián)動。量子通信的核心產(chǎn)品已經(jīng)通過中試，形成系列產(chǎn)品，正在逐步推向市場?！碑a(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊的趙勇博士說，現(xiàn)在，合肥和濟(jì)南都已搭建量子通信試驗網(wǎng)，合肥建成了46個節(jié)點，濟(jì)南也將有56個節(jié)點。

　　已經(jīng)實用化的量子通信技術(shù)并不是將傳統(tǒng)信息完全用量子態(tài)傳輸，而是利用量子的研究成果，給傳統(tǒng)信息加上“量子密鑰”。

　　“古人在信封上用火漆封口，這樣一旦信件被中途竊取拆開，就會留下泄密的痕跡?！迸私▊フf，“量子密鑰在量子通信中的作用就像火漆一樣，但比火漆更徹底。一旦有人試圖打開信件，量子密鑰會讓信件自毀，并讓使用者知曉。這樣，竊聽者不但竊聽不到量子電話的通話內(nèi)容，還會暴露自己。所以，從原理上講，量子通信是無條件安全的?！?/p>

　　量子可以在現(xiàn)有的光纖通信網(wǎng)絡(luò)中傳播，這讓量子密鑰可以方便地疊加到現(xiàn)有的各種通信網(wǎng)絡(luò)上。但量子的不可測是一把雙刃劍，既帶來了信息安全，又讓我們對量子的控制更加艱難，增加了量子通信的實現(xiàn)難度及成本。

　　潘建偉團(tuán)隊將量子保密通信的絕對安全距離由10公里量級提高到百公里量級。這樣，在一個城市中建立量子通信網(wǎng)絡(luò)就成為可行的事情。目前，他們還在研究通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，為未來基于空間平臺的千公里級量子通信奠定堅實基礎(chǔ)。

　　通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，通過中繼器連接城域網(wǎng)形成城際量子網(wǎng)絡(luò)，再通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(xiàn)可覆蓋全球的遠(yuǎn)距離量子通信，這是潘建偉設(shè)想的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)路線圖?！坝捎诠庾右妆恍诺牢?，光纖量子通信很難突破百公里量級傳輸距離的限制。用衛(wèi)星的話，因為大氣對某些特定波長的光子吸收非常小，而且大氣層以外幾乎是真空，因此有望克服光纖傳輸?shù)娜觞c，將量子通信的距離大幅度提高，甚至達(dá)到覆蓋全球的范圍。”

　　廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)計劃已經(jīng)開始，潘建偉團(tuán)隊作為在國內(nèi)惟一開展星—地自由空間量子通信實驗研究的團(tuán)隊，牽頭組織了中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”，將實現(xiàn)高速的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)建我國的廣域量子通信體系。

　　“未來2至5年，量子通信處在邊研發(fā)邊拓展應(yīng)用的階段，10年內(nèi)奠定星地量子通信的實用化技術(shù)基礎(chǔ)；相信在10年后，量子通信將有望走向大規(guī)模運(yùn)用。目前歐盟、美國、日本都非常重視這一前沿科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域?！迸私▊フf，“我國要保持在這一領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，就必須付出更大的投入和更多的努力。”

    （編輯：Jesse）