潘建伟教授：中国计划在2015年左右发射量子卫星

潘建伟教授：中国计划在2015年左右发射量子卫星

2012年01月

来源： 科技日报



   “最近我们的一项重要成果即将在《自然》杂志上发表，这是我为杂志封面设计的成果示意图。”1月4日，新年第一个工作日的下午，新当选的中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟打开他办公室电脑上的图像文件，高兴地对记者说。

    曾被科技日报评为十大科技新闻人物的潘建伟，是2011年度新增院士中最年轻的一位。1997年以来，他和团队已在《自然》《自然·物理》《自然·光子学》《美国国家科学院院刊》《物理评论快报》等国际权威学术期刊上发表学术论文67篇，被引用7500余次，其成果5次入选欧洲物理学会评选的“年度物理学重大进展”、4次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”、6次入选两院院士评选的“年度中国十大科技进展新闻”。因为潘建伟及其团队在量子信息实验领域所开展的系统性工作，他们分别被国际权威物理学综述杂志《现代物理评论》和《物理报告》邀请撰写有关多光子量子纠缠操纵和量子通信的实验综述论文，其中前者是中国大陆科学家在该刊发表的第一篇实验综述论文。

    量子世界令人着迷，催人奋进

    选择物理作为自己的专业，完全出于潘建伟的兴趣和爱好。1987年，潘建伟考入中科大近代物理系。大学时期，班上仅省高考状元就有7个。“我的成绩只能算中等偏下，不过我心态好，学习一直很积极，对每门物理功课都抱有浓厚的兴趣。”潘建伟笑着说，因为喜欢，所以有热情、有耐心，遇到挫折的时候，也能坦然面对。

    按照牛顿力学的理论，客观世界就像一个庞大的机器，自然界一切物质就像这部机器的零部件，其运动规律和相互作用完全由力学定律来支配，因此，整个世界的未来走向和发展趋势也是由力学定律决定的。“牛顿力学开辟了人类认识客观世界的一个新时代，”潘建伟说，但量子理论则认为，物质可以同时处于多个可能状态的迭加态，当被观测或测量时，才会随机地呈现出某种确定的状态。“以鬼魅般的阵列运行、以实物的形式到达和离开”，这就是量子力学所揭示的物质存在和演化的一般形态。

    “在量子力学看来，人的‘观测’是不确定的量子世界和确定的现实之间转化的关键。”潘建伟说，“从哲学上讲，量子力学是一种积极向上的科学，令人着迷，又催人奋进。个人的奋斗因此存在积极的意义，如果一个人是处在‘成功’和‘失败’的迭加态上，那么个人奋斗会使他朝着成功几率较大的状态演化。”

    1996年，在中科大获得理论物理硕士学位后，潘建伟投入奥地利维也纳大学塞林格教授门下攻读博士学位。那时候，导师正在组织一个几百万欧元的欧盟项目，这是量子信息实验研究方面的第一个国际合作项目。此前，量子信息一直处在理论研究阶段，还没有得到实验支撑。“我理论功底比较好，因此很快就进入了状态，工作进行得相当快。”1997年，题为《实验量子隐形传态》的研究论文在《自然》杂志上发表，该成果被公认为量子信息实验领域的开山之作，同时被欧洲物理学会和美国物理学会评为世界物理学年度重大进展，被美国《科学》杂志评为年度全球十大科技进展。该工作后来还被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”之一。

    “我是论文的第二作者，发表实验数据的测量和处理主要是由我完成的。”潘建伟说，“以这个工作为起点，量子信息实验研究此后进入热门状态。”

    这一年，潘建伟刚刚27岁。

工欲善其事，必先利其器     1999年获得维也纳大学博士学位后，潘建伟准备回国工作，但是申请科研经费一直没有获得批准。“那时候，量子信息研究在国内还有很大争议，有人甚至认为是伪科学。直到我们的论文入选《自然》杂志百年经典后，这方面的支持力度开始增强。”     2001年，潘建伟的科研项目申请获得批准，回到中科大工作。但是量子信息研究发展很快，当时无论是研究水平还是人才储备方面，国内的基础都很薄弱。“我们必须与国际上的先进小组保持密切的联系，虚心向他们学习，才能更快地前进。如果等到别人绝尘而去，你再去追，就来不及了。”潘建伟说。     在这种思路指引下，潘建伟在与他的同学杨涛教授一道组织科研队伍、开展实验室建设的同时，还继续在维也纳大学从事多光子纠缠方面的合作研究。“成果出得很快，仅2003年一年，国内研究小组作为第一单位发表的《物理评论快报》论文就有7篇。”潘建伟回忆说。     2004年，潘建伟研究小组在国际上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输，《自然》杂志发表了这一成果，并称赞说：“这种新颖的量子态隐形传输是量子纠错和分布式量子信息处理所需要的关键技术。”这一成果同时入选欧洲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第一次。     “这表明国内研究小组在量子纠缠方面的工作已经成功跃居国际领先水平。”潘建伟说，“我可以离开维也纳了，那里的知识我们国内小组已经全部掌握。”     此后，潘建伟以玛丽·居里讲席教授的身份到德国海德堡大学从事量子存储的合作研究。“要实现高效、长距离的量子通信，必须发展量子存储和量子中继技术，而冷原子系综是实现量子存储的理想系统。”潘建伟说，“海德堡大学的冷原子研究处于国际领先地位，我们必须把别人的看家本领学到手。”     几年下来，潘建伟团队在冷原子量子存储方面形成了丰富的人才和技术积累，取得了一系列国际领先的研究成果。2008年，《自然》杂志再次发表潘建伟团队的重要研究成果，他们利用量子存储技术在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，完美地实现了长距离量子通信中亟须的“量子中继器”。《自然》杂志称赞该工作“扫除了量子通信中的一大绊脚石”。这项成果入选欧洲物理学会年度物理学重大进展。他们还首次实现了光子比特与原子比特间的量子隐形传态，首次将单次激发量子存储的寿命延长至毫秒量级，将以前的结果提高了两个数量级。     工欲善其事，必先利其器。与国际先进小组保持密切的合作，不断地取长补短，是潘建伟团队得以快速发展壮大的秘诀。

   最大的梦想

    2008年10月，潘建伟和他在德国的团队整体回归中科大。“搬家的清单足足列了120页，大到激光器，小到12毫米的镜片，全部搬回来了。”

    这个时候，潘建伟团队已经成为国际上首次把安全量子通信距离突破到超过百公里量级的3个团队之一，国际上报道安全的实用化量子通信网络实验研究的2个团队之一，也是国内唯一领衔开展星地量子通信实验研究的科研团队。《新科学家》这样评价潘建伟团队：“（他们）使得中科大，因而也使整个中国，牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地。”

    “在光量子纠缠操纵和量子通信方面，我们最终都走到了领跑的位置。现在我们可以在国内开展国际领先的研究工作了。”潘建伟说。

    量子信息研究集多学科于一体，要想取得突破，必须拥有不同学科背景的人才。这些年，为了做好量子信息这盘“菜”，潘建伟一直在储备各种“原料”，将不同学科背景的年轻人送出国门，分布到德国、英国、美国、瑞士、奥地利等量子信息研究的优秀国际小组加以锻炼。

    近年来，这些被特意“放飞”国外多年的年轻人，如同风筝收线一般，悉数回国，使中科大团队得到了空前壮大。“实验室里光是‘青年千人计划’‘百人计划’教授就有10来个。他们基本上都比我小10岁左右，正处在创造的高峰期。”

    谈到团队未来的重点发展方向，潘建伟列了两个：一是将广域量子通信向实用化方向进一步推进；二是发展量子模拟技术，用发展起来的量子操纵技术反过来推动量子物理和凝聚态物理方面的基础研究。“这将使量子科学与技术之间形成良性的正反馈关系，这是我感到最快乐的事情。”

    2009年4月，潘建伟团队在合肥市建立了世界上第一个光量子电话网，实现了“电话互联互通、语音实时加密、安全牢不可破”的量子保密电话网络系统。两年来，光量子电话网在系统的小型化、稳定性等方面取得了快速进展。

    “量子保密通信在城域网上的使用已经基本成熟，快则两三年，慢则三五年，就可以推广。”潘建伟说，“但要实现广域的量子保密通信，还需要借助卫星。”量子信息的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗，如果能够在技术上实现纠缠光子在穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性，人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。

    “中科院已经启动了空间科学战略性先导科技专项，计划在2015年左右发射量子科学实验卫星。”潘建伟说，他的导师塞林格教授得知中国要发射量子卫星后，专程来华两次，希望能合作参与这项工作。“前不久，塞林格教授与奥地利科学院院长一道访问了科学院，与我方签署了‘洲际量子密钥分发’合作协议。到2015年，我的导师正好70周岁，他说完成这一极富挑战性的重要实验，是他这辈子最大也是最后的心愿。”

    “许多人问我，什么是我的梦想？我说，梦想不是你想要得到什么东西，而是你发现一个很美妙的事情，你想去做。仅仅如此。”潘建伟说，“能在目前的基础上将量子通信技术发展到极致，而这既对国家和民族有利，又能满足我自己的好奇心，对我来说，这是最愉快的事情，也是我目前最大的梦想。”（吴长锋）