墨子號量子科學實驗衛(wèi)星

“嗅每一片落葉的味道，對世界保持著孩童般的好奇。只是和科學糾纏，保持與名利的距離。站在世界的最前排，和宇宙對話，以先賢的名義，做前無古人的事業(yè)?！?

2017年2月8日晚，“感動中國”2016年度人物頒獎晚會在北京舉行。全國政協(xié)委員、中科院院士、“量子衛(wèi)星之父”潘建偉獲評“2016年感動中國的十大年度人物”之一。這是“感動中國年度人物”組委會給潘建偉的頒獎辭。

2018年6月27日潘建偉在全國政協(xié)十三屆常委會第二次會議上作“量子科學與技術的發(fā)展及應用”學習講座

潘建偉：我的量子研究之路

1987年夏，我從浙江省東陽中學考入中國科學技術大學近代物理系。在科大學習期間，我第一次接觸到了量子力學，發(fā)現(xiàn)微觀世界里有很多奇特的現(xiàn)象。我對這些奇怪的量子特性陷入苦苦思考之中，甚至使我疏于做習題而險些掛科。但不管怎么樣，量子世界的詭異特性令我著迷，因此我確立了我的奮斗目標：與量子打交道、交朋友。本科畢業(yè)前，我集中研究和總結了量子力學的各種佯謬，作為我的本科畢業(yè)論文。畢業(yè)后，我繼續(xù)在科大攻讀理論物理碩士學位，理論基礎的加深使得我對量子的脾氣摸得更透了。

物理學終究是一門實驗科學，再奇妙的理論如果得不到實驗檢驗，無異于紙上談兵。然而，當時國內缺乏進行量子實驗的條件。研究生畢業(yè)后，在導師的推薦下，我從1996年開始師從國際上著名的量子物理實驗學家，奧地利因斯布魯克大學的蔡林格（Anton Zeilinger）教授攻讀博士學位。一個理論物理專業(yè)的碩士，要想很快進入實驗量子物理的前沿，其中的困難可想而知。為了盡快掌握實驗知識和要領，我?guī)缀跽於寂菰趯嶒炇依?，在中國科大訓練出的較扎實的理論功底使我得以迅速理解和掌握實驗技術。終于有一天，我有了自己的量子隱形傳態(tài)的實驗設想。然而，當我興奮地向導師和同事們講了自己的想法后，才知道這其實就是Bennett等提出的量子隱形傳態(tài)方案，并且實驗室正在做這個實驗。我當時就提出要加入這個實驗，并得到了蔡林格教授的應允。

20年前，奧地利，一位26歲的中國學生，面對導師的提問“你的夢想是什么”，他回答，“我要在中國，建一個世界一流的量子物理實驗室”。這個學生的名字叫潘建偉。

經(jīng)過1年左右的努力，我和實驗室的同事完成了這個在國際上首次實現(xiàn)光子的量子隱形傳態(tài)的實驗。我們的工作發(fā)表在Nature雜志上，被認為是量子信息實驗領域的開端，同時被美國物理學會、歐洲物理學會、Science雜志評為年度十大進展，并被Nature雜志在其特刊選為“百年物理學21篇經(jīng)典論文”。至今，這篇論文仍然是量子信息科學領域被引用次數(shù)最多的實驗論文。此后幾年內，我和同事們先后實現(xiàn)了量子糾纏交換、三光子糾纏及其非定域性檢驗、四光子GHZ糾纏和高保真度的量子隱形傳態(tài)、量子糾纏純化等重要實驗，結果均發(fā)表在Nature或Physical Review Letters上，這些工作多次被歐洲物理學會和美國物理學會評為年度物理學重大進展。

我在奧地利攻讀學位的時候，是量子信息這門新興科學開始蓬勃發(fā)展的年月。這門學科——包括量子通信、量子計算、量子模擬和量子精密測量等研究方向——正是利用了量子的奇特性質，能夠用一種革命性的方式對信息進行編碼、存儲、傳輸和操縱，可以實現(xiàn)利用任何經(jīng)典手段都無法完成的信息功能：量子通信克服了經(jīng)典加密技術內在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式；量子計算和量子模擬具有超越經(jīng)典極限的強大并行計算和模擬能力，一方面為密碼分析、氣象預報、資源勘探、藥物設計等所需的大規(guī)模計算難題提供解決方案，另一方面可揭示高溫超導、量子霍爾效應等長期懸而未知的物理機制；量子精密測量通過實現(xiàn)對重力、時間、位置等物理量的超高靈敏度測量，可以大幅度提升衛(wèi)星導航、潛艇定位、醫(yī)學檢測、引力波探測等的準確性和精度。在懷著極大的熱情與量子打交道的同時，我將目光投向了國內，迫不及待地希望祖國能很快跟上這個新興科技領域的發(fā)展步伐，在信息技術領域抓住這次趕超發(fā)達國家并掌握主動權的機會。

從1997年開始，我每年都利用假期回到中國科大講學，為我國在量子信息領域的發(fā)展提出建議，并帶動一批研究人員進入該領域。2001年，我入選“中科院引進國外杰出人才”，并獲得了國家自然科學基金委海外青年學者合作研究基金和中科院知識創(chuàng)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。雖然我們是從零開始，但因為在組建之初就得到了國家自然科學基金委、中科院和中國科大的大力支持，在以后的幾年里又陸續(xù)得到了科技部等主管部門的大力支持，因此實驗室的發(fā)展速度非常快。僅2003年一年，我們研究組作為第一單位發(fā)表在Physical Review Letters的論文就有7篇。2004年，我們在國際上首次實現(xiàn)五光子糾纏和終端開放的量子態(tài)隱形傳輸，發(fā)表在Nature雜志。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。

量子信息科學領域是一個日新月異、正在迅速發(fā)展的多學科交叉領域，需要各方面的人才和技術，需要與世界上優(yōu)秀的科研團體合作，學習他們的先進技術和經(jīng)驗。正是考慮到這一學科背景，在2003-2008年間，我國內、國外兩頭跑，一方面在中國科大實驗室大力發(fā)展光量子信息技術，另一方面前往在冷原子和原子芯片方面具有很強研究實力的德國海德堡大學物理所，以瑪麗·居里講席教授的身份在歐洲通過各種渠道申請經(jīng)費支持，從國內招收研究生和博士后，為我國培養(yǎng)冷原子量子存儲方面的研究力量。幾年下來，我們在冷原子量子存儲方面形成了豐富的人才和技術積累，取得了一系列國際領先的研究成果。2008年，Nature雜志發(fā)表了我們“量子中繼器實驗實現(xiàn)”的研究成果。利用量子存儲技術在國際上首次完美地實現(xiàn)了長程量子通信中亟需的“量子中繼器”，Nature雜志稱贊該工作“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。我們還首次實現(xiàn)了光子比特與原子比特間的量子隱形傳態(tài)，首次將單次激發(fā)量子存儲的壽命延長至毫秒量級，較以前的結果提高了兩個數(shù)量級。

2008年，在完成了充分的技術積累和人才儲備后，我放棄了在海德堡大學的職位，同時將在海德堡大學的實驗裝置陸續(xù)搬遷回中國科大，將一批優(yōu)秀的年輕人才從海德堡大學以國家“青年千人計劃”、中科院“百人計劃”等方式引進到中國科大。

2016年8月16日凌晨，中國量子衛(wèi)星“墨子號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，它是世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星，標志著目前中國在量子通信領域已經(jīng)領跑世界。這個項目的首席科學家正是潘建偉。

全時回國工作后，隨著研究工作的不斷深入和研究方向的擴大，尋求穩(wěn)定的科研經(jīng)費支持在一段時間內一直是困擾我們團隊的主要問題。2009年，我獲得“國家杰出青年科學基金”資助，無疑是對我團隊工作的高度肯定和鼓勵。在“杰青”項目、中科院的知識創(chuàng)新工程項目和科技部重大科學研究計劃項目等的支持下，我們團隊的經(jīng)費需求問題初步得到解決，可以在國內開展國際領先的工作了。值得指出的是，我們團隊的研究骨干中，有3人先后獲得“杰青”項目的資助，充分體現(xiàn)了“杰青”是對我國優(yōu)秀科研人員的高度認可。

團隊未來的重點發(fā)展方向有2個：一是將廣域量子通信向實用化方向進一步推進；二是發(fā)展量子模擬及量子精密測量技術，用發(fā)展起來的量子操縱技術反過來推動量子物理和凝聚態(tài)物理方面的基礎研究，這將使量子科學與技術之間形成良性的正反饋關系，這是我感到最為快樂的事情。

回顧我們過去幾年的發(fā)展，我感嘆這是一個不斷實現(xiàn)和超越夢想的光榮歷程。我們應該感謝量子，是它使得我們能夠有機會像“兩彈元勛”等老一輩科學家們那樣，為國家和社會的發(fā)展貢獻自己的一份力量。我更應該感謝我們祖國在經(jīng)濟建設和社會進步中所取得的巨大成就。我們在發(fā)展量子信息科技上所取得的成績，與國家自然科學基金委、教育部、科技部、中科院等科研主管部門和中國科大的強有力支持是分不開的。不僅如此，國家對引進海外高層次人才的重視也達到了新的高度，使得更多的優(yōu)秀青年人才可以歸而報國，在國內充分發(fā)揮他們的創(chuàng)造力，成為前沿研究領域的生力軍?？梢哉f，團隊所獲得的持續(xù)支持和所取得的成績不僅彰顯著我國不斷提高的綜合國力和科技創(chuàng)新能力，也充分反映了我國對支持戰(zhàn)略性前沿基礎科學研究的敏銳判斷力和決策力。

2017 年1月18日,中國研制發(fā)射的世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子”號正式交付使用

潘建偉：奇妙的量子世界

20 世紀物理學有兩個重大發(fā)現(xiàn)，即普朗克的量子論和愛因斯坦的相對論。量子論與相對論的研究和應用一開始就與信息技術緊密相關。這兩大重要物理發(fā)現(xiàn)在本質上奠定了 20 世紀和 21 世紀科學技術的基礎，帶來了人類物質文明的巨大進步。

量子及其特性

所謂量子，是構成物質的最基本單元，也是物質、質量、能量的最基本攜帶者，具有不可分割性。像分子、原子、光子等構成物質的最基本單元，統(tǒng)稱為量子。

量子有一個非常奇怪的特性，叫量子疊加。什么是量子疊加？經(jīng)典事件里可以用某個物體的兩個狀態(tài)代表 0 或 1，比如一只貓，或者是死，或者是活，但不能同時處于死和活狀態(tài)之間。但在量子世界，不僅有 0和 1 的狀態(tài)，某些時候像原子、分子、光子可以同時處于 0 和 1 狀態(tài)相干的疊加。比如光子的偏振狀態(tài)，在真空中傳遞的時候，可以沿水平方向振動，可以沿豎直方向振動，也可以處于 45 度斜振動，這個現(xiàn)象正是水平和豎直偏振兩個狀態(tài)的相干疊加。正因為有量子疊加狀態(tài)，才導致量子力學測不準原理，即如果事先不知道單個量子狀態(tài)，就不可能通過測量把狀態(tài)的信息完全讀??；不能讀取就不能復制。這是量子的兩個基本特性。

量子還有一個特性，叫作“量子糾纏”。比如甲、乙兩人分處異地，兩人同時玩一個游戲——擲骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1/6 的概率隨機得到 1 到 6 結果的某一個；同時，乙在另一地擲骰子，盡管兩人每一次單邊結果都是隨機的，但每一次的結果卻是一模一樣的，這就是“量子糾纏”。

最早提出這個概念的是愛因斯坦。愛因斯坦當時認為怎么允許兩個客體在遙遠的兩地之間會有這種詭異互動呢？因此質疑量子理論的完備性。后來為了檢驗這種現(xiàn)象，科學家做了大量試驗，發(fā)現(xiàn)這種糾纏性質確實存在。而且在驗證過程中，科學家慢慢發(fā)展和掌握了對單個粒子狀態(tài)進行人工制備和對多個粒子之間的相互作用進行主動操縱的能力，在這個基礎上，誕生了量子信息科學。

量子信息科學有三個應用方向，一是量子通信，即實現(xiàn)無條件安全通信手段；二是量子計算，超高速并且可以有效揭示復雜物理系統(tǒng)的規(guī)律；三是量子精密測量，測量精度超越經(jīng)典極限，用于高精度導航、定位等。

我們對微觀世界的解釋已離不開量子力學。圖為2017年1月20日加拿大溫哥華舉行量子科學展

量子信息科技應用

第一個應用是量子密鑰分發(fā)。例如甲、乙二人要進行安全通信，甲發(fā)出的光子信息狀態(tài)有水平、豎直、45 度等，如果有竊聽，第一，竊聽者不能把光子分成信息一模一樣的兩半，因為光子不可分割；第二，竊聽者不能復制信息，因為單次測量測不準；第三，竊聽者把光子截獲，乙收不到信息，也就不存在竊聽。無論怎樣，根據(jù)量子力學原理，竊聽都可以被發(fā)現(xiàn)，一旦被發(fā)現(xiàn)，原有密鑰立即作廢。甲就可以把沒有被竊聽的密鑰傳送過去，利用產(chǎn)生的密鑰進行一次一密完全隨機的加密。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性可以實現(xiàn)安全量子密鑰分發(fā)，實現(xiàn)不可破譯的保密通信。

第二個應用叫作量子隱形傳態(tài)。量子的這個特性類似傳說中的“瞬間移動”。比如需要我從合肥到北京開會，所有的交通工具都不能實現(xiàn)馬上到達。這時候在合肥和北京分別有一個裝置，兩個裝置里的粒子處于糾纏態(tài)，那么在合肥我身上的粒子跟裝置里的粒子做一種聯(lián)合測量，通過經(jīng)典通信把每一次的測量結果發(fā)到北京，在北京對相應粒子做某種操縱，就可以在北京用同樣多的分子、原子把我重新構造出來，這個過程是以光速進行的。所以，利用量子糾纏的方式，可以把量子信息本身從一個地點傳送到另一地點。這就是量子的隱形傳態(tài)。

值得注意的是，傳到北京的我包含了我所有的物質和信息，在合肥的我已經(jīng)消失了，所以不是我的復制品，我還是獨一無二的。這個技術要真正實現(xiàn)還需要很長時間，但是這個理念可以用在量子網(wǎng)絡中，讓信息在量子網(wǎng)絡中傳遞，就可以構造所謂的量子計算和量子模擬。

量子計算具有超強的計算能力，比如利用萬億次經(jīng)典計算機分解 300 位的大數(shù)需要15 萬年，利用萬億次量子計算機，只需要 1 秒。同理，在大數(shù)據(jù)和人工智能里，求解一個億億億變量的方程組，利用目前最快的億億次“天河二號”大概需要 100 年左右，但是如果利用萬億次的量子計算機，只需要 0.01 秒。其應用是非常廣泛的，不僅可以解決大規(guī)模的計算機難題，破解經(jīng)典密碼、氣象預報、藥物設計、金融分析、石油勘探，而且可以揭示新能源、新材料機制，慣性約束核聚變、高溫超導、量子霍爾效應等。

現(xiàn)在是大數(shù)據(jù)時代，近三年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)比之前幾千年的總和還要多。美國情報部門在“9·11”事件發(fā)生后，對所接收的數(shù)據(jù)進行分析，結果發(fā)現(xiàn)，如果事先有足夠分析的話，就可以知道 9 月 11 日那些恐怖分子會開展什么活動，發(fā)生什么事，但是當時因為數(shù)據(jù)太大來不及分析，大到需要 100 年才能分析完，如果需要提前 100 年來預測“9·11”就沒有意義了。所以，如果造出量子計算機，對大數(shù)據(jù)中有效信息進行挖掘，是非常有效的。

還有一個應用是量子精密測量。目前世界上最好的經(jīng)典加速度計，每天誤差大概在 200 米左右，如果為潛水艇導航，100 天以后的誤差達到幾百公里，可能發(fā)生撞到海溝或者撞到山上的情況。但是利用量子疊加原理采用量子精密測量手段，航行 100 天后的位置測量誤差會小于 1 公里。

“墨子”號量子衛(wèi)星首席科學家潘建偉院士在中科大上海研究院的實驗室里調試設備

量子信息科技現(xiàn)狀

量子信息技術的基礎研究已經(jīng)比較成熟，相關理論和實驗多次獲得諾貝爾物理學獎和沃爾夫物理學獎。目前，量子信息技術正由基礎研究走向應用基礎研究和應用研究。尤其是量子通信，目前已經(jīng)可以實用。關于未來方向，國際有共同的發(fā)展路線圖，一是通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡；二是通過中繼器連接實現(xiàn)城際量子網(wǎng)絡，把很多城市連接起來；如果把信息發(fā)射到駐外機構或者國外，或者更加高效遙遠地點之間的量子通信，則需要第三個技術，通過衛(wèi)星中轉實現(xiàn)遠距離量子通信。當把這三項技術結合起來，就可以構建廣義的量子通信網(wǎng)絡，從而保證各個節(jié)點之間信息傳輸?shù)陌踩?/p>

在量子計算、量子模擬和精密測量方面，目前國際上的研究熱點是對各種有望實現(xiàn)可擴展量子信息處理的物理體系開展系統(tǒng)性研究，主要從三方面展開：實現(xiàn)高精度、高效率量子態(tài)制備與相互作用控制；在此基礎上實現(xiàn)更多粒子的量子糾纏，粒子之間糾纏越多，計算能力越強大；同時實現(xiàn)更長的量子相干保持時間，相干時間越長，在計算過程中，量子有效性更能充分開發(fā)出來。在這三方面研究基礎上，提高量子計算的可擴展性，實現(xiàn)量子計算的基本功能；利用量子模擬探索凝聚態(tài)物理機制；實現(xiàn)超高精度精密測量。

引用約翰·惠勒的話：“過去 100 年間量子力學給人類帶來了如此之多的重要發(fā)現(xiàn)和應用，有理由相信在未來 100 年間它還會給我們帶來更多激動人心的驚喜?！蔽覀儗ξ磥沓錆M希望。

延伸閱讀：潘建偉：探索的動機

（節(jié)選自 紀念改革開放四十周年 · 推動者系列之《科技引領未來》，中國文史出版社2018年6月出版，責任編輯牛夢岳、高貝）

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