自主研發(fā)：不可思議的“量子夢(mèng)”漸入現實(shí)

　　2015年度的國家自然科學(xué)一等獎，頒發(fā)給了由潘建偉、彭承志、陳宇翱、陸朝陽(yáng)、陳增兵組成的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)多光子糾纏及干涉度量研究團隊——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，取得了量子通信、量子計算等領(lǐng)域的系統性關(guān)鍵突破。

　　對這個(gè)在量子科學(xué)研究前沿中屹立于世界領(lǐng)先位置的團隊來(lái)說(shuō)，他們的獲獎實(shí)至名歸。

　　潘建偉如何帶領(lǐng)他的團隊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)念的定域實(shí)在論之間存在根本矛盾。定域實(shí)在論認為，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)非定域性預言，處于量子糾纏的兩個(gè)粒子，無(wú)論相距多么遙遠，對其中一個(gè)粒子的測量會(huì )瞬間改變另一個(gè)粒子的量子狀態(tài)，愛(ài)因斯坦把這一現象稱(chēng)為“遙遠地點(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，各執一枚骰子，當這兩枚骰子處于糾纏態(tài)時(shí)，兩人將骰子拋出，最后兩邊得出的結果將完全一樣?！迸私▊ビ眯蜗蟮谋扔飨蛴浾哒f(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)內在的安全隱患，是迄今唯一被嚴格證明是無(wú)條件安全的通信方式，可以從根本上解決國防、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超級計算機需要100年，而利用計算頻率還低一萬(wàn)倍的THz量子計算機，只需0.01秒。量子計算將帶來(lái)現有計算能力的質(zhì)的飛躍，為密碼分析、氣象預報、石油勘探、藥物設計等所需的大規模計算難題提供解決方案;并可通過(guò)其強大的模擬能力，揭示高溫超導、量子霍爾效應等復雜物理機制，為先進(jìn)材料制造和新能源開(kāi)發(fā)奠定科學(xué)基礎。

　　量子精密測量可實(shí)現對重力、時(shí)間、位置等的超高靈敏度測量，大幅提升衛星導航、潛艇定位、醫學(xué)檢測、引力波探測等的準確性和精度。比如，一條潛艇，使用目前最好的經(jīng)典加速度計來(lái)自主導航，航行100天后誤差達到200公里，就不得不需借助衛星修正位置，但這也意味著(zhù)暴露行蹤的可能;如果利用量子導航儀(原子加速度計)進(jìn)行測量，航行100天后的位置測量誤差小于1公里，潛艇可以不需要借助衛星導航，進(jìn)行長(cháng)期潛伏。

　　前赴后繼的科研工作者們在量子力學(xué)逾百年的研究基礎上，逐漸掌握了對量子狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)調控的能力，從而開(kāi)辟出量子信息科技——包括量子通信、量子計算和量子精密測量等，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。

　　圖①實(shí)驗室內，陳宇翱向記者介紹基于超冷原子光晶格的量子模擬。圖②以潘建偉為核心的量子信息研究團隊。圖③超導量子芯片。

　　圖④中科大博士生正在量子物理與量子信息實(shí)驗室中做實(shí)驗。

　　近20年來(lái)，量子調控與量子信息領(lǐng)域共產(chǎn)生了10余名諾貝爾物理學(xué)獎和沃爾夫物理學(xué)獎獲得者，量子信息科學(xué)已然成為當代物理學(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”。在中國科大讀完本碩后，他去奧地利攻讀博士學(xué)位，學(xué)習當時(shí)國際上最先進(jìn)的量子物理實(shí)驗技術(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)驗室。

　　那時(shí)，多粒子糾纏操縱存在巨大的實(shí)驗挑戰，國際上仍處于對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)驗制備和操縱幾乎空白。

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

　　他領(lǐng)導的項目組發(fā)展了一系列關(guān)鍵技術(shù)，2003年在國際上首次實(shí)現了多體糾纏性質(zhì)被嚴格驗證的四光子糾纏態(tài)，之后又通過(guò)驗證GHZ定理以最強烈的方式揭示出量子力學(xué)與定域實(shí)在論之間的矛盾。

　　此后，團隊先后于2004年、2007年和2012年在國際上首次實(shí)現了五光子、六光子及八光子的糾纏，在多光子糾纏操縱實(shí)驗研究上不斷刷新世界紀錄，并始終保持著(zhù)國際領(lǐng)先地位。

　　多光子糾纏操縱是量子信息處理的基礎，基礎的突破自然會(huì )帶來(lái)應用的突破。正如2012年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者瓦恩蘭指出，“糾纏粒子數越多，量子力學(xué)非定域性越強烈，對量子信息處理也越有用”。

　　在量子通信方面，2007年，項目組利用誘騙態(tài)方法，克服了現實(shí)條件下光源不完美帶來(lái)的安全隱患，在國際上首次實(shí)現安全通信距離超過(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(zhù)國際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò )、首個(gè)規?；怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò )相繼于2008年和2012年建成，中國量子通信技術(shù)已逐步走向實(shí)用化。潘建偉團隊利用自主研制的量子通信裝備，為60周年國慶閱兵、黨的十八大、抗戰勝利70周年閱兵等國家重要政治活動(dòng)提供了信息安全保障。

　　“這標志著(zhù)中國在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國家發(fā)展成為現在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美……”英國《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)精確傳送到遙遠地點(diǎn)。