潘建偉教授：中國計劃在2015年左右發射量子衛星

潘建偉教授：中國計劃在2015年左右發射量子衛星

2012年01月

來源： 科技日報



   “最近我們的一項重要成果即將在《自然》雜誌上發表，這是我為雜誌封麵設計的成果示意圖。”1月4日，新年第一個工作日的下午，新當選的中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉打開他辦公室電腦上的圖像文件，高興地對記者說。

    曾被科技日報評為十大科技新聞人物的潘建偉，是2011年度新增院士中最年輕的一位。1997年以來，他和團隊已在《自然》《自然·物理》《自然·光子學》《美國國家科學院院刊》《物理評論快報》等國際權威學術期刊上發表學術論文67篇，被引用7500餘次，其成果5次入選歐洲物理學會評選的“年度物理學重大進展”、4次入選美國物理學會評選的“年度物理學重大事件”、6次入選兩院院士評選的“年度中國十大科技進展新聞”。因為潘建偉及其團隊在量子信息實驗領域所開展的係統性工作，他們分別被國際權威物理學綜述雜誌《現代物理評論》和《物理報告》邀請撰寫有關多光子量子糾纏操縱和量子通信的實驗綜述論文，其中前者是中國大陸科學家在該刊發表的第一篇實驗綜述論文。

    量子世界令人著迷，催人奮進

    選擇物理作為自己的專業，完全出於潘建偉的興趣和愛好。1987年，潘建偉考入中科大近代物理係。大學時期，班上僅省高考狀元就有7個。“我的成績隻能算中等偏下，不過我心態好，學習一直很積極，對每門物理功課都抱有濃厚的興趣。”潘建偉笑著說，因為喜歡，所以有熱情、有耐心，遇到挫折的時候，也能坦然麵對。

    按照牛頓力學的理論，客觀世界就像一個龐大的機器，自然界一切物質就像這部機器的零部件，其運動規律和相互作用完全由力學定律來支配，因此，整個世界的未來走向和發展趨勢也是由力學定律決定的。“牛頓力學開辟了人類認識客觀世界的一個新時代，”潘建偉說，但量子理論則認為，物質可以同時處於多個可能狀態的迭加態，當被觀測或測量時，才會隨機地呈現出某種確定的狀態。“以鬼魅般的陣列運行、以實物的形式到達和離開”，這就是量子力學所揭示的物質存在和演化的一般形態。

    “在量子力學看來，人的‘觀測’是不確定的量子世界和確定的現實之間轉化的關鍵。”潘建偉說，“從哲學上講，量子力學是一種積極向上的科學，令人著迷，又催人奮進。個人的奮鬥因此存在積極的意義，如果一個人是處在‘成功’和‘失敗’的迭加態上，那麽個人奮鬥會使他朝著成功幾率較大的狀態演化。”

    1996年，在中科大獲得理論物理碩士學位後，潘建偉投入奧地利維也納大學塞林格教授門下攻讀博士學位。那時候，導師正在組織一個幾百萬歐元的歐盟項目，這是量子信息實驗研究方麵的第一個國際合作項目。此前，量子信息一直處在理論研究階段，還沒有得到實驗支撐。“我理論功底比較好，因此很快就進入了狀態，工作進行得相當快。”1997年，題為《實驗量子隱形傳態》的研究論文在《自然》雜誌上發表，該成果被公認為量子信息實驗領域的開山之作，同時被歐洲物理學會和美國物理學會評為世界物理學年度重大進展，被美國《科學》雜誌評為年度全球十大科技進展。該工作後來還被《自然》雜誌選為“百年物理學21篇經典論文”之一。

    “我是論文的第二作者，發表實驗數據的測量和處理主要是由我完成的。”潘建偉說，“以這個工作為起點，量子信息實驗研究此後進入熱門狀態。”

    這一年，潘建偉剛剛27歲。

工欲善其事，必先利其器     1999年獲得維也納大學博士學位後，潘建偉準備回國工作，但是申請科研經費一直沒有獲得批準。“那時候，量子信息研究在國內還有很大爭議，有人甚至認為是偽科學。直到我們的論文入選《自然》雜誌百年經典後，這方麵的支持力度開始增強。”     2001年，潘建偉的科研項目申請獲得批準，回到中科大工作。但是量子信息研究發展很快，當時無論是研究水平還是人才儲備方麵，國內的基礎都很薄弱。“我們必須與國際上的先進小組保持密切的聯係，虛心向他們學習，才能更快地前進。如果等到別人絕塵而去，你再去追，就來不及了。”潘建偉說。     在這種思路指引下，潘建偉在與他的同學楊濤教授一道組織科研隊伍、開展實驗室建設的同時，還繼續在維也納大學從事多光子糾纏方麵的合作研究。“成果出得很快，僅2003年一年，國內研究小組作為第一單位發表的《物理評論快報》論文就有7篇。”潘建偉回憶說。     2004年，潘建偉研究小組在國際上首次實現五光子糾纏和終端開放的量子態隱形傳輸，《自然》雜誌發表了這一成果，並稱讚說：“這種新穎的量子態隱形傳輸是量子糾錯和分布式量子信息處理所需要的關鍵技術。”這一成果同時入選歐洲物理學會和美國物理學會評選出的年度國際物理學重大進展，這對中國科學家來說是第一次。     “這表明國內研究小組在量子糾纏方麵的工作已經成功躍居國際領先水平。”潘建偉說，“我可以離開維也納了，那裏的知識我們國內小組已經全部掌握。”     此後，潘建偉以瑪麗·居裏講席教授的身份到德國海德堡大學從事量子存儲的合作研究。“要實現高效、長距離的量子通信，必須發展量子存儲和量子中繼技術，而冷原子係綜是實現量子存儲的理想係統。”潘建偉說，“海德堡大學的冷原子研究處於國際領先地位，我們必須把別人的看家本領學到手。”     幾年下來，潘建偉團隊在冷原子量子存儲方麵形成了豐富的人才和技術積累，取得了一係列國際領先的研究成果。2008年，《自然》雜誌再次發表潘建偉團隊的重要研究成果，他們利用量子存儲技術在國際上首次實現了具有存儲和讀出功能的糾纏交換，完美地實現了長距離量子通信中亟須的“量子中繼器”。《自然》雜誌稱讚該工作“掃除了量子通信中的一大絆腳石”。這項成果入選歐洲物理學會年度物理學重大進展。他們還首次實現了光子比特與原子比特間的量子隱形傳態，首次將單次激發量子存儲的壽命延長至毫秒量級，將以前的結果提高了兩個數量級。     工欲善其事，必先利其器。與國際先進小組保持密切的合作，不斷地取長補短，是潘建偉團隊得以快速發展壯大的秘訣。

   最大的夢想

    2008年10月，潘建偉和他在德國的團隊整體回歸中科大。“搬家的清單足足列了120頁，大到激光器，小到12毫米的鏡片，全部搬回來了。”

    這個時候，潘建偉團隊已經成為國際上首次把安全量子通信距離突破到超過百公裏量級的3個團隊之一，國際上報道安全的實用化量子通信網絡實驗研究的2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。《新科學家》這樣評價潘建偉團隊：“（他們）使得中科大，因而也使整個中國，牢牢地在量子計算的世界地圖上占據了一席之地。”

    “在光量子糾纏操縱和量子通信方麵，我們最終都走到了領跑的位置。現在我們可以在國內開展國際領先的研究工作了。”潘建偉說。

    量子信息研究集多學科於一體，要想取得突破，必須擁有不同學科背景的人才。這些年，為了做好量子信息這盤“菜”，潘建偉一直在儲備各種“原料”，將不同學科背景的年輕人送出國門，分布到德國、英國、美國、瑞士、奧地利等量子信息研究的優秀國際小組加以鍛煉。

    近年來，這些被特意“放飛”國外多年的年輕人，如同風箏收線一般，悉數回國，使中科大團隊得到了空前壯大。“實驗室裏光是‘青年千人計劃’‘百人計劃’教授就有10來個。他們基本上都比我小10歲左右，正處在創造的高峰期。”

    談到團隊未來的重點發展方向，潘建偉列了兩個：一是將廣域量子通信向實用化方向進一步推進；二是發展量子模擬技術，用發展起來的量子操縱技術反過來推動量子物理和凝聚態物理方麵的基礎研究。“這將使量子科學與技術之間形成良性的正反饋關係，這是我感到最快樂的事情。”

    2009年4月，潘建偉團隊在合肥市建立了世界上第一個光量子電話網，實現了“電話互聯互通、語音實時加密、安全牢不可破”的量子保密電話網絡係統。兩年來，光量子電話網在係統的小型化、穩定性等方麵取得了快速進展。

    “量子保密通信在城域網上的使用已經基本成熟，快則兩三年，慢則三五年，就可以推廣。”潘建偉說，“但要實現廣域的量子保密通信，還需要借助衛星。”量子信息的攜帶者光子在外層空間傳播時幾乎沒有損耗，如果能夠在技術上實現糾纏光子在穿透整個大氣層後仍然存活並保持其糾纏特性，人們就可以在衛星的幫助下實現全球化的量子通信。

    “中科院已經啟動了空間科學戰略性先導科技專項，計劃在2015年左右發射量子科學實驗衛星。”潘建偉說，他的導師塞林格教授得知中國要發射量子衛星後，專程來華兩次，希望能合作參與這項工作。“前不久，塞林格教授與奧地利科學院院長一道訪問了科學院，與我方簽署了‘洲際量子密鑰分發’合作協議。到2015年，我的導師正好70周歲，他說完成這一極富挑戰性的重要實驗，是他這輩子最大也是最後的心願。”

    “許多人問我，什麽是我的夢想？我說，夢想不是你想要得到什麽東西，而是你發現一個很美妙的事情，你想去做。僅僅如此。”潘建偉說，“能在目前的基礎上將量子通信技術發展到極致，而這既對國家和民族有利，又能滿足我自己的好奇心，對我來說，這是最愉快的事情，也是我目前最大的夢想。”（吳長鋒）