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潘建伟团队打开量子世界大门

时间:2016-01-12  来源:中国青年报·中青在线  作者:王磊

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潘建伟(右)和陆朝阳  

    201618,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万众期待中揭晓,中国科学技术大学潘建伟、彭承志、陈宇翱、陆朝阳、陈增兵为主要完成人的“多光子纠缠及干涉度量”团队获此殊荣。值得一提的是,该团队的成员均为“70后”“80后”的青年科学家。

  量子信息的物理基础和应用技术研究对保障国家信息安全和发展下一代信息产业有着深远的影响,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。

  以该团队成员为代表的中国科学家长期从事量子力学基础问题实验检验,对光量子操纵方法进行了深入、系统的研究,系统地发展了多光子纠缠操纵技术,并创新性地应用于量子通信、量子计算等多个研究方向,引领和推动了多光子纠缠干涉量度学的发展,取得了广域量子通信和光学量子信息处理等领域的系统性关键突破,并将量子保密通信技术真正带入实际应用。

  什么是“多光子纠缠及干涉度量”

  简单地说,多光子纠缠及干涉度量就是根据量子物理原理提供的一种全新方式对信息进行编码、存储、传输和逻辑操作,并对光子、原子等微观粒子进行精确操纵,以确保通信安全和提升计算速度等方面可以突破经典信息技术的瓶颈。

  “实现对多粒子纠缠的相干操纵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。”潘建伟说,正如2012年诺贝尔物理学奖获得者大卫·维因兰德所指出的,“纠缠粒子数越多,量子力学非定域性越强烈,对量子信息处理也越有用”。

  2004年,潘建伟团队在国际上首次实现了五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输,这一成果被《自然》杂志发表,并同时入选英国物理学会和美国物理学会评选出的年度国际物理学重大进展,这对中国科学家来说是首次。此后,潘建伟团队分别于2007年制备出六光子纠缠、2012年制备出八光子纠缠,并一直保持着纠缠光子数目的世界纪录。

  在此基础上,团队于2007年在国际上首次实现了安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发,从而打开了量子通信技术实用化的大门,2008年实现了国际上首个全通型量子通信网络,2012年建成首个规模化量子通信网络。

  据了解,量子通信克服了经典加密技术内在的安全隐患,是迄今唯一被严格证明是无条件安全的通信方式,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。项目组利用自主研制的量子通信装备,已经为60周年国庆阅兵、“十八大”、抗战胜利70周年阅兵等国家重要政治活动提供了信息安全保障。

  “这次获奖,是对我们多年来深耕在量子领域的肯定。当然这还远远不够,未来还有更难啃的‘硬骨头’,要实现有实用价值的量子模拟机和量子计算机的基本功能,起码要实现几十到上百个量子比特的纠缠。”潘建伟说。

  潘建伟团队重要成员之一、国家杰出青年基金获得者陆朝阳教授则给自己定了一个时间表,“争取在5年之内,实现2030个光子的纠缠”。

  量子理论给世界带来哪些改变

  在量子物理学诞生的100多年里,对它的研究始终长盛不衰。有人说,我们的现代文明,从电脑到激光,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,量子理论到底是什么?它能给我们的生活带来哪些改变?

  量子是指微观世界里不可分割的基本个体,比如日常生活中的光,就是由大量光量子组成的。量子有着诸如未知量子态不可复制、量子非定域性等不同于宏观物理世界的奇妙特性,若能掌握这些特性,则有望实现对信息处理能力革命性的突破。

  例如量子具有叠加性,如果能制造出100个粒子相干操纵的量子计算机,在某些问题方面的处理能力将会比目前最快的超级计算机“天河二号”还快百亿亿倍。

  在可扩展的量子计算与模拟、量子精密测量方面,项目组将继续在光与冷原子系统、超导系统中发展多粒子纠缠操纵技术,希望通过10年左右的努力,实现上百个量子比特的纠缠,实现量子计算机的基本功能。尽管实现真正意义上的通用量子计算机还比较遥远,但是专用于解决特定问题的量子模拟机非常有希望在510年内取得重大突破。

  众所周知,在古典四大名著之一的《西游记》里,孙悟空一个“筋斗云”就能越过十万八千里,也许明朝的作家吴承恩怎么也不会想到,几百年后科学家已经在微观粒子的层面上实验上验证了“筋斗云”这种超能力的可实现性。利用量子纠缠发展出的量子隐形传态,可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点,就像孙悟空的“筋斗云”一样,可以实现从A地到B地的瞬间传输。

  潘建伟团队已经在实验上证明了这种可能性:2004年,利用五光子纠缠,团队首次实现县了终端开放的、多接收用户的量子隐形传态;2006年,利用六光子纠缠,团队首次实现了两粒子复合系统的量子隐形传态;2015年更是首次实现了多个自由度的量子隐形传态。

  “如果我们带着一个保险箱去北京开会,而保险箱的钥匙落在合肥了,在合肥的同事可以通过量子隐形传态将钥匙的每一个特征都精确传送到北京,而在此过程中他并不掌握这把钥匙的任何信息。这在经典世界中是不可想象的。”潘建伟举例说。

  潘建伟团队有着明确的科研路线图:通过量子通信研究,从初步实现局域量子通信网络,到实现多横多纵的全球范围量子通信网络,以保证信息传输的绝对安全;通过量子计算研究,为大规模计算难题提供解决方案,实现大数据时代信息的有效挖掘;通过量子精密测量研究,实现新一代定位导航等等。

  据了解,该团队牵头承担的中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”将于今年发射,届时可以实现高速星地量子通信、并连接地面的城域量子通信网络,初步构建我国广域量子通信体系。

  同时,团队牵头承担的千公里光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”项目正在稳步建设,将于今年年底前后建成连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络,将推动量子通信技术在国防、政务、金融等领域的应用。

  科研需要长远规划和群体作战

  “科研需要长远规划和群体作战,不能单打独斗”。打铁还需自身硬,潘建伟从2001年就开始人才布局。从中国科大起步,人才布局分别辐射奥地利因斯布鲁克大学、英国剑桥大学、德国马普量子光学所、瑞士日内瓦大学、美国斯坦福大学……2008年,潘建伟带领在德国的团队整体回归中国科大,而其他分布在世界各地的年轻人也陆续回国,以陈宇翱、陆朝阳、张强、赵博等为代表的一批优秀的青年学者组成了一支精干的研究团队。

  “周密部署、高点起步,成效显著。”2003年至今,潘建伟团队的成果8次入选两院院士评选的“年度十大科技进展新闻”,1次入选《自然》杂志评选的“年度十大科技亮点”,3次入选英国物理学会评选的“年度物理学重大进展”,3次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”。

  2007年,英国《新科学家》杂志曾在“中国崛起”特刊中,高度评价道,“潘和他的同事使得中国科学技术大学——因而也是整个中国——牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地”;2012年,英国《自然》杂志在报道该项目团队量子通信研究成果的新闻特稿“量子太空竞赛”中不吝赞美之词:“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……”

  团队为什么能取得如此多的成果?“有好的机遇”,彭承志谦虚地说,“兴趣决定我们到底能走多远,坚持让我们时刻准备着”。

  遇到过困难吗?“困难经常有”,刚完成博士论文时,潘建伟觉得光子纠缠的方向已经没法再深入了,“当时很困惑”,然而坚持下来,却是柳暗花明。

  争论是这个团队的常态,团队成员、菲涅尔奖得主陈宇翱说,“在学术问题上,我们经常“吵架”。潘建伟说,“我随时准备改变我的想法,团队的开放包容和紧密合作才能促进各自的成长”。

  许多人并不知道的是,每当合肥这座中部城市陷入沉睡的时候,这群科学家们往往都在伏案工作,大脑仍在剧烈地运转。“我们没有工作日和周末之分”,陈宇翱笑言,“有时候为了一个实验数据,可能会工作到深夜两三点”。只有当一个大的突破做出之后,才能陪家人出去走走,既是一种放松,也是对家人的补偿。

  通过科学研究进一步提升国力、造福人类

  “回想自己一生,经历过许多坎坷,唯一希望的就是祖国繁荣昌盛、科学发达,我们已经尽了自己的力量,但国家尚未摆脱贫困与落后,尚需当今与后世无私的有为青年再接再厉,继续努力。”这是著名物理学家、中国科大近代物理系首任系主任赵忠尧生前的一段话。新中国刚刚成立时,他克服重重困难回国效力,成为新中国国防科技事业的重要奠基人。如今,这段话被铭刻在在位于上海的中国科大量子工程中心一楼大厅的显著位置。

  这段话被潘建伟记在心里,他始终不忘一点,个人的命运是和国家紧密相连的,当年毅然回国,就是想“通过科学研究进一步提升国力、造福人类”。

  在德国期间,潘建伟住所楼下有个经营蔬菜的小店铺。每年,店主都会停业五周,带着家人去度假,这件事给他的触动很大。

  “德国有着发达的科学技术和精良的制造业,这些都为德国的经济发展起了强大的推动作用,而经济发展最直接的受益者就是普通百姓。”潘建伟现在思考的是,科学家在基础研究之外,如何注意科技成果的转化,为经济发展做贡献。

  “科学研究不仅要仰望星空,也要脚踏实地,”他感慨道:“我们不能再像以前那样,用一火车的东西去换人家一皮包的芯片。我们不仅要关注原始创新也要鼓励成果转化,为国计民生做些事情,让普通老百姓享受科技带来的利益。我们的团队正在朝着这个方向努力。”

  陈宇翱是潘建伟的弟子,他们二人是唯一两位“菲涅尔奖”的华人获得者。2008年,陈宇翱从海德堡大学物理所博士毕业后,留在实验室担任研究助理。其实,早在陈宇翱2004年前往海德堡之前,导师潘建伟就对他明确表示,希望他学成后能够回国从事科研工作。陈宇翱欣然应允。2011年年底,陈宇翱兑现当初的承诺,全职回到母校中国科大工作。

  在这位80后的科学家看来,“量子世界貌似离人们很远,其实却很近,比如目前银行中的加密系统,我们只能买国外的技术。相信在不久的将来,我们就会用上自己的量子加密技术。”

 

 

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