2015年度的國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，頒發(fā)給了由潘建偉、彭承志、陳宇翱、陸朝陽(yáng)、陳增兵組成的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)多光子糾纏及干涉度量研究團(tuán)隊(duì)——他們憑借在多光子糾纏及干涉度量上的重要研究和發(fā)現(xiàn)，取得了量子通信、量子計(jì)算等領(lǐng)域的系統(tǒng)性關(guān)鍵突破。

                        2015年量子通信領(lǐng)域獲得系統(tǒng)性關(guān)鍵突破　　
　　對(duì)這個(gè)在量子科學(xué)研究前沿中屹立于世界領(lǐng)先位置的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，他們的獲獎(jiǎng)實(shí)至名歸。潘建偉如何帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)突破量子信息研究的重重難關(guān)?

　　不可思議的量子信息科學(xué)

　　1935年，愛(ài)因斯坦指出，量子糾纏所體現(xiàn)的量子力學(xué)非定域性與作為經(jīng)典物理學(xué)基本觀(guān)念的定域?qū)嵲谡撝g存在根本矛盾。定域?qū)嵲谡撜J(rèn)為，處于類(lèi)空間隔的兩個(gè)事件相互不會(huì)產(chǎn)生任何影響，然而量子力學(xué)非定域性預(yù)言，處于量子糾纏的兩個(gè)粒子，無(wú)論相距多么遙遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)粒子的測(cè)量會(huì)瞬間改變另一個(gè)粒子的量子狀態(tài)，愛(ài)因斯坦把這一現(xiàn)象稱(chēng)為“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)”。

　　“所謂的詭異互動(dòng)就是理論上說(shuō)的‘糾纏’，好比兩人相處兩地，各執(zhí)一枚骰子，當(dāng)這兩枚骰子處于糾纏態(tài)時(shí)，兩人將骰子拋出，最后兩邊得出的結(jié)果將完全一樣。”潘建偉用形象的比喻向記者說(shuō)明量子糾纏的基本原理。

　　在網(wǎng)絡(luò)信息安全方面，量子通信克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患，是迄今唯一被嚴(yán)格證明是無(wú)條件安全的通信方式，可以從根本上解決國(guó)防、金融、政務(wù)、能源、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問(wèn)題。

　　求解一個(gè)億億億變量的線(xiàn)性方程組，利用目前世界上最快的天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要100年，而利用計(jì)算頻率還低一萬(wàn)倍的THz量子計(jì)算機(jī)，只需0.01秒。量子計(jì)算將帶來(lái)現(xiàn)有計(jì)算能力的質(zhì)的飛躍，為密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、石油勘探、藥物設(shè)計(jì)等所需的大規(guī)模計(jì)算難題提供解決方案;并可通過(guò)其強(qiáng)大的模擬能力，揭示高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜物理機(jī)制，為先進(jìn)材料制造和新能源開(kāi)發(fā)奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

　　量子精密測(cè)量可實(shí)現(xiàn)對(duì)重力、時(shí)間、位置等的超高靈敏度測(cè)量，大幅提升衛(wèi)星導(dǎo)航、潛艇定位、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、引力波探測(cè)等的準(zhǔn)確性和精度。比如，一條潛艇，使用目前最好的經(jīng)典加速度計(jì)來(lái)自主導(dǎo)航，航行100天后誤差達(dá)到200公里，就不得不需借助衛(wèi)星修正位置，但這也意味著暴露行蹤的可能;如果利用量子導(dǎo)航儀(原子加速度計(jì))進(jìn)行測(cè)量，航行100天后的位置測(cè)量誤差小于1公里，潛艇可以不需要借助衛(wèi)星導(dǎo)航，進(jìn)行長(zhǎng)期潛伏。

　　前赴后繼的科研工作者們?cè)诹孔恿W(xué)逾百年的研究基礎(chǔ)上，逐漸掌握了對(duì)量子狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控的能力，從而開(kāi)辟出量子信息科技——包括量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量等，可以突破經(jīng)典技術(shù)的極限，滿(mǎn)足信息和物質(zhì)科學(xué)技術(shù)的革新訴求。

　　近20年來(lái)，量子調(diào)控與量子信息領(lǐng)域共產(chǎn)生了10余名諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，量子信息科學(xué)已然成為當(dāng)代物理學(xué)最活躍的研究前沿之一。

　　碩果累累的量子領(lǐng)域突破

　　1970年出生的潘建偉是一名“海歸”。在中國(guó)科大讀完本碩后，他去奧地利攻讀博士學(xué)位，學(xué)習(xí)當(dāng)時(shí)國(guó)際上最先進(jìn)的量子物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)。2001年他學(xué)成回到母校，組建了量子物理和量子信息實(shí)驗(yàn)室。

　　那時(shí)，多粒子糾纏操縱存在巨大的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)，國(guó)際上仍處于對(duì)單量子粒子體系和兩粒子糾纏的研究水平，多粒子糾纏的實(shí)驗(yàn)制備和操縱幾乎空白。

　　“長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)基礎(chǔ)科技研發(fā)大多是對(duì)國(guó)外成果的模仿與跟蹤，而我們決心讓中國(guó)量子信息技術(shù)做到全世界最好”。潘建偉說(shuō)。

　　他領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目組發(fā)展了一系列關(guān)鍵技術(shù)，2003年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了多體糾纏性質(zhì)被嚴(yán)格驗(yàn)證的四光子糾纏態(tài)，之后又通過(guò)驗(yàn)證GHZ定理以最強(qiáng)烈的方式揭示出量子力學(xué)與定域?qū)嵲谡撝g的矛盾。

　　此后，團(tuán)隊(duì)先后于2004年、2007年和2012年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了五光子、六光子及八光子的糾纏，在多光子糾纏操縱實(shí)驗(yàn)研究上不斷刷新世界紀(jì)錄，并始終保持著國(guó)際領(lǐng)先地位。

　　多光子糾纏操縱是量子信息處理的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)的突破自然會(huì)帶來(lái)應(yīng)用的突破。正如2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者瓦恩蘭指出，“糾纏粒子數(shù)越多，量子力學(xué)非定域性越強(qiáng)烈，對(duì)量子信息處理也越有用”。

　　在量子通信方面，2007年，項(xiàng)目組利用誘騙態(tài)方法，克服了現(xiàn)實(shí)條件下光源不完美帶來(lái)的安全隱患，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)安全通信距離超過(guò)100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，從而開(kāi)啟了量子通信技術(shù)實(shí)用化的大門(mén)。

　　隨著國(guó)際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)、首個(gè)規(guī)模化城域量子通信網(wǎng)絡(luò)相繼于2008年和2012年建成，中國(guó)量子通信技術(shù)已逐步走向?qū)嵱没Ｅ私▊F(tuán)隊(duì)利用自主研制的量子通信裝備，為60周年國(guó)慶閱兵、黨的十八大、抗戰(zhàn)勝利70周年閱兵等國(guó)家重要政治活動(dòng)提供了信息安全保障。

　　“這標(biāo)志著中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國(guó)家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美……”英國(guó)《自然》雜志曾如此稱(chēng)贊道。

　　恰似“星際迷航”般的量子隱形傳態(tài)則更顯神奇。利用量子糾纏，量子隱形傳態(tài)可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)。多體、多終端、多自由度的量子隱形傳態(tài)是實(shí)現(xiàn)分布式量子網(wǎng)絡(luò)的基本單元。利用五光子糾纏，2004年項(xiàng)目組首次實(shí)現(xiàn)了終端開(kāi)放的、多接收用戶(hù)的量子隱形傳態(tài);利用六光子糾纏，2006年首次實(shí)現(xiàn)了兩粒子復(fù)合系統(tǒng)的量子隱形傳態(tài);2015年，又首次實(shí)現(xiàn)了多個(gè)自由度的量子隱形傳態(tài)。這一工作在不久前入選英國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的“2015年度國(guó)際物理學(xué)領(lǐng)域的十項(xiàng)重大突破”，并名列榜首。

　　量子計(jì)算方面的最大挑戰(zhàn)是克服各種環(huán)境噪聲和比特錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)的普適量子糾錯(cuò)，潘建偉團(tuán)隊(duì)突破了這一難題。他們基于國(guó)際領(lǐng)先的多光子糾纏操縱技術(shù)，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了紹爾算法、拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)、快速求解線(xiàn)性方程組算法、量子機(jī)器學(xué)習(xí)等幾乎所有重要量子算法的驗(yàn)證。

　　“我們?nèi)栽谕献叩碾A段，還沒(méi)到頂峰。回國(guó)之后，國(guó)家經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力增強(qiáng)，讓科學(xué)工作者們有了用武之地，國(guó)外的同行也非常羨慕我們的科研環(huán)境。目前，咱們的科研工作就好像噼里啪啦的從樹(shù)上掉果子，正處于全面收獲的階段。未來(lái)，中國(guó)量子科學(xué)研究的不斷突破將成為一種常態(tài)。”潘建偉說(shuō)。

　　令人期待的中國(guó)量子未來(lái)

　　量子信息的物理基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)研究對(duì)保障國(guó)家信息安全和發(fā)展下一代信息產(chǎn)業(yè)有著深遠(yuǎn)影響，已經(jīng)成為世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家優(yōu)先發(fā)展的科技高地。

　　“過(guò)去，我國(guó)科學(xué)家們秉承家國(guó)情懷，為中國(guó)國(guó)防科技事業(yè)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，保證了國(guó)家的和平發(fā)展環(huán)境;現(xiàn)在，科技工作者要堅(jiān)持在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域不斷創(chuàng)新，讓更多民眾享受科技紅利的回報(bào)，為國(guó)家謀取直接經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)。”潘建偉說(shuō)。

　　中國(guó)科大主持的遠(yuǎn)距離量子通信骨干網(wǎng)“京滬干線(xiàn)”項(xiàng)目正在建設(shè)之中，將建設(shè)連接北京、上海，貫穿濟(jì)南、合肥等地的千公里級(jí)高可信、可擴(kuò)展、軍民融合的城際量子通信網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)2016年下半年建成。

　　此外，由潘建偉團(tuán)隊(duì)牽頭組織的中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”也預(yù)計(jì)于2016年下半年發(fā)射，將在國(guó)際上率先建成高速的星地量子通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，從空間尺度上為未來(lái)千公里級(jí)量子通信奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　“今后，我們將集合通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)、通過(guò)中繼器連接的城際量子網(wǎng)絡(luò)和通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)距離量子通信，全面構(gòu)建廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。相信在前期多光子糾纏干涉度量學(xué)成果的支持下，再經(jīng)過(guò)10年左右的時(shí)間就能夠達(dá)到目標(biāo)。”潘建偉說(shuō)。

　　彭承志在介紹量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目時(shí)說(shuō)，最開(kāi)始雖然只有單顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，但科學(xué)實(shí)驗(yàn)完成后將逐步組建星群，結(jié)合國(guó)家未來(lái)的空間站計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)多顆衛(wèi)星的量子通信組網(wǎng)，并開(kāi)展與意大利、加拿大、奧地利地面站的合作連接，為形成全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)全人類(lèi)的信息安全而奮斗。

　　在可擴(kuò)展的量子計(jì)算與模擬、量子精密測(cè)量方面，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)在光與冷原子系統(tǒng)、超導(dǎo)系統(tǒng)中發(fā)展多粒子糾纏操縱技術(shù)，希望在未來(lái)10年，實(shí)現(xiàn)上百個(gè)量子比特的糾纏，使得量子計(jì)算處理某些特定問(wèn)題時(shí)的能力大大超越目前的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，并且也將有效降低能耗。

　　同時(shí)，在量子計(jì)算研究過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的高精度精密測(cè)量手段，還將應(yīng)用于自主導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、引力波探測(cè)等領(lǐng)域。

　　潘建偉表示，一個(gè)天地一體的全球化量子通信基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建成功后，能為未來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)提供基于量子通信技術(shù)的安全保障，形成完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈和下一代國(guó)家主權(quán)信息安全生態(tài)系統(tǒng)。

　　“隨著中國(guó)科技的迅猛發(fā)展，量子通信將在不到10年的時(shí)間里輻射千家萬(wàn)戶(hù)。期盼在我有生之年，能親眼目睹以量子計(jì)算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯(lián)網(wǎng)的誕生。我相信中國(guó)科學(xué)家們做得到。”潘建偉說(shuō)。