潘建偉：在與量子“糾纏”中展示神奇

　　潘建偉，現任中國科學技術大學教授、博士生導師，中科院“百人計劃”、教育部長江學者、“千人計劃”入選者。2003年被奧地利科學院授予青年物理學家最高獎Erich Schmid獎。

　　2008年，中國科學技術大學教授潘建偉與同事一起，利用先進的冷原子量子存儲技術，在世界上首次實現了具有存儲和讀出功能的糾纏交換，建立了由300米光纖連接的兩個冷原子系統之間的量子糾纏。這種量子糾纏可以被讀出并轉化為光子糾纏，以進一步傳輸和操作，從而實現了首個“量子中繼器”。歐洲物理學會在這一年度的國際物理學十大成就介紹中，將該成果評價為：“借助它，量子通信可以達到任意遙遠的距離。”《自然》雜志則稱該成果“掃除了量子通信中的一大絆腳石”。

　　2009年，潘建偉入選國家第一批“千人計劃”。已經回到中國科大全時工作的潘建偉，帶領他的團隊再次取得重大突破，在合肥建成了世界上第一個可自由擴充的多節點光量子電話網，這是國際上第一個可升級的全通型量子通信網絡和首個城際量子通信網絡。這項突破，預示著絕對安全的量子通信會在不久的將來由實驗室研究走進人們的日常生活。

　　“由于在星地量子密鑰分發方面的國際競爭異常激烈，中科院不囿常規，果斷地為我們同時啟動了兩個知識創新工程重大項目，使得我們有可能在國際上率先實現空地量子通信，在最終實現全球化量子通信方面占據領先地位。這種果斷和及時的支持，彰顯了國家對支持戰略性前沿基礎科學研究的敏銳判斷力和決策力。”2009年11月1日，潘建偉作為優秀青年科學家的代表，在中科院建院60周年紀念大會上發言。

　　潘建偉神采奕奕。他在大會上披露：“令我們略感自豪的是，目前，我們是國際上首次把絕對安全量子通信距離突破到超過百公里的3個團隊之一，是國際上報道絕對安全的實用化量子通信網絡實驗研究的兩個團隊之一，是國際上在實用化量子通信方面開展全面、系統性實驗研究的兩個團隊之一，也是國內唯一領銜開展星地量子通信實驗研究的科研團隊。”

　　回顧自己領導的實驗室的成長歷程，潘建偉不由地感言：“我們正處在一個不斷實現和超越夢想的光榮時代。”

　　由潘建偉領導團隊開展的科研工作，正是在與量子的不斷“糾纏”中，展示著夢想一般的神奇力量。

　　正如中國科大前任校長朱清時院士所言：“潘建偉的基礎研究工作，對于一般人來說是難以理解的，不然我們會感到更強的震撼力。”

　　在科幻小說《星際旅行》的故事中，星球戰士從某一地點突然消失，而瞬間地出現在遙遠的另一地點。那么，現實生活中是否真的存在這樣的過程呢？實際上是存在的，這就是量子隱形傳態。在這個過程中，一個物體的狀態可以在某地突然消失，而以極快的速度在遙遠的某地重現出來。1993年，來自4個國家的6位科學家將這一神奇的現象在理論上揭示出來。在這個科學方案中，量子糾纏起著至關重要的作用。

　　處于量子糾纏的兩個粒子，無論分離多遠，它們之間都存在一種神秘的關聯，這種神秘的關聯無論如何都無法用經典觀念去理解，被愛因斯坦稱為“遙遠地點間詭異的互動”。量子信息科學家發現，量子糾纏除了神秘之外，還是一種可資利用的超經典力量，它可以成為具有超級計算能力的量子計算機和“萬無一失”的量子保密系統的基礎。

　　“隨著現代量子物理研究的不斷進展，科學家已能夠成功操縱光子和原子，目前正在對更大的物體并在更遠的距離上進行隱形傳輸研究。假以時日，或許未來能夠傳輸人類本身，《星際旅行》中的科學幻想或許能變成現實。”潘建偉說，“但我們在實現‘星際旅行’前，一切的科學研究都首先需要腳踏實地。”

　　在過去的10年間，潘建偉同國內及德國、奧地利專家合作，腳踏實地地與量子發生著“糾纏”。正是在與量子的糾纏不休中，潘建偉不斷展示出量子基礎科學成果對人類現實生活的神奇作用。

　　1997年12月，潘建偉與奧地利科學家賽林格和荷蘭學者波密斯特等合作，首次實現了量子態的隱形傳送，成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。該成果被譽為“量子信息實驗領域的突破性進展”，被公認為量子信息實驗領域的開山之作，歐洲物理學會將其評為世界物理學的年度十大進展，美國《科學》雜志將其列為年度全球十大科技進展。1999年該工作同倫琴發現Ｘ射線、愛因斯坦建立相對論等影響世界的重大研究成果一起，被《自然》雜志選為“百年物理學21篇經典論文”。那一年，潘建偉29歲。

　　在接下來的10年中，潘建偉對量子隱形傳態的這一神奇現象開展了更加深入的研究：2003年，首次實現了自由傳播光子的隱形傳態，使得量子隱形傳態能應用在更加廣泛的量子通信和量子計算中；2004年，在首次實現五光子糾纏的基礎上，實現了一種更新穎的量子隱形傳態，即終端開放的量子隱形傳態，為奠定分布式量子信息處理的基礎作出了貢獻；2006年，首次實現了兩光子復合系統量子隱形傳態；2008年，首次實現了光子比特與原子比特間的量子隱形傳態。

　　取得這一連串驕人成績的潘建偉今年39歲，他的個頭并不高，笑談中無不透著科學家特有的質樸。

　　2003年，由于在量子態隱形傳輸以及量子糾纏態純化實驗實現上的重要貢獻，潘建偉被奧地利科學院授予Erich Schmid獎，此獎為奧地利科學院授予40歲以下的青年物理學家的最高獎，每兩年評出一人獲獎。

　　從2001年開始，潘建偉就開始了在國內建設世界級研究中心的步伐，“我在奧地利攻讀博士學位時，正是量子信息這門新興科學開始蓬勃發展的年月。我很快了解到，這門科學可以帶來極大的應用價值并具有重大科學意義，勢必會推動整個信息產業的技術革命。因此，我很快將目光投向了國內，迫不及待地希望祖國能很快跟上這個新興領域的發展步伐，在信息技術領域抓住這次趕超發達國家并掌握主動權的機會。”

　　2001年，潘建偉入選“中科院引進國外杰出人才”，并獲得了中科院知識創新工程重要方向性項目的支持，在中國科大組建了量子物理與量子信息實驗室。

　　這個實驗室以一批年輕教師和學生為班底，朝氣蓬勃。雖然研究工作幾乎是從零開始，但因為在組建之初就得到了中科院和中國科大的大力支持，在以后的幾年里又陸續得到了國家自然科學基金委和科技部等主管部門的大力支持。

　　2004年，實驗室進入中國科大合肥微尺度物質科學國家實驗室，成為量子物理與量子信息研究部，不但科研環境得到了很大改善，一批優秀的年輕人才也在這里經過鍛煉和培養后迅速脫穎而出。實驗室組建至今，已經在國際權威學術期刊《自然》、《自然—物理》、《物理評論快報》發表論文共計40多篇。正如英國著名的科學新聞雜志《新科學家》以封面標題的形式，對實驗室進行專題報道所說的那樣：“中國科大——因而也是整個中國——已經牢牢地在量子計算的世界地圖上占據了一席之地。”

　　“2009年初，我把在海德堡大學的實驗室整體搬回了國內，還以中科院‘百人計劃’等方式，將一批優秀的青年學術骨干引進來，使中國科大的研究力量更加壯大了。”潘建偉高興地說。

　　“長江、長江，我是黃河。”“黃河、黃河，我是長江。”這樣的保密通話，并不是諜報戰中高潮起伏的緊張一幕，而是2009年8月初，中國科大在合肥市5個不同地點之間的秘密通話。除了通話者本身，世界上沒有其他人知道他們在電話里說了什么。

　　這個秘密電話無疑是劃時代的。電話接通的一剎那，中國科學家讓“量子通信”揭開了神秘面紗，第一次真正展現出它的實用價值。

　　借助現有的商業光纖網絡，潘建偉帶領團隊組建的可自由擴充的光量子電話網，用戶間距達20公里，實現了“電話一撥即通、語音實時加密、安全牢不可破”的實時網絡通話。

　　光量子電話網的核心部件，是他們獨立研發的量子程控交換機和量子通信終端。潘建偉告訴《科學時報》記者，這種不怕竊聽的量子通信采用的是“一次一密”的加密方式，即便是目前最先進的技術手段也無法監聽。為確保絕對安全，兩人通話期間，密碼機每時每刻都在產生密碼，牢牢“鎖”住語音信息；而一旦通話結束，這串密碼就會立即失效，下一次通話絕不會重復使用。

　　“光量子電話網”的橫空問世，是實用化量子通信領域取得的又一國際領先的研究成果。

　　2009年4月，由潘建偉領導取得的這項突破性成果，發表在光學領域著名國際期刊《光學快遞》上，立即被美國《科學》雜志以《量子電話》為題進行了報道，正如其評論中所述：“有了這樣的演示，量子隱私走進千家萬戶不會是很遙遠的未來。”

　　潘建偉對記者披露，他們下一步的宏偉目標是通過衛星真正實現全球化量子通信。“首先要解決的是衛星的高速飛行問題，地面上也需要準確地接受信號，這就要有一個強大的聯合團隊，才能保障目標的早日實現。”

　　“好在我們已經組建了聯合實驗室，聯合中科院成都光電所、微系統所、技術物理所等相關研究所，利用這些戰略高技術的儲備能夠解決問題。這些戰略高技術在國內都有長期的積累，現在終于能夠用于基礎科學前沿了。”潘建偉喜不自禁地介紹。

　　空間大尺度的量子試驗，是中國科大和中科院上海分院等單位共同聯合、全力推進的項目，已經形成了一個很好的合作團隊，現在團隊每星期開一次協調會議。

　　“未來20年內量子通信會大規模運用，現在歐盟、美國、日本都非常重視這一前沿科學領域。在原創性研究領域，哪怕做到第二都是失敗！我們輸不起，中國也不能輸。”潘建偉對記者強調。

　　2009年春天，在中科院副院長江綿恒的辦公室里，江綿恒對潘建偉說：“你是首席科學家，你應該記住，站在你團隊后面的是整個中國；支持你團隊的也是整個中國。”