潘建偉：我的量子研究之路

潘建偉

1987年夏，我從浙江省東陽中學(xué)考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系。在科大學(xué)習(xí)期間，我第一次接觸到了量子力學(xué)，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(xí)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(biāo)：與量子打交道、交朋友。本科畢業(yè)前，我集中研究和總結(jié)了量子力學(xué)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(xué)位，理論基礎(chǔ)的加深使得我對量子的脾氣摸得更透了。

物理學(xué)終究是一門實驗科學(xué)，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(dāng)時國內(nèi)缺乏進行量子實驗的條件。研究生畢業(yè)后，在導(dǎo)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(xué)家，奧地利因斯布魯克大學(xué)的蔡林格（Anton Zeilinger）教授攻讀博士學(xué)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(lǐng)，我?guī)缀跽於寂菰趯嶒炇依?，在中國科大?xùn)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(shù)。終于有一天，我有了自己的量子隱形傳態(tài)的實驗設(shè)想。然而，當(dāng)我興奮地向?qū)熀屯聜冎v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(dāng)時就提出要加入這個實驗，并得到了蔡林格教授的應(yīng)允。

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(rèn)為是量子信息實驗領(lǐng)域的開端，同時被美國物理學(xué)會、歐洲物理學(xué)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(xué)21篇經(jīng)典論文”。至今，這篇論文仍然是量子信息科學(xué)領(lǐng)域被引用次數(shù)最多的實驗論文。此后幾年內(nèi)，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(jié)果均發(fā)表在Nature或Physical Review Letters上，這些工作多次被歐洲物理學(xué)會和美國物理學(xué)會評為年度物理學(xué)重大進展。

我在奧地利攻讀學(xué)位的時候，是量子信息這門新興科學(xué)開始蓬勃發(fā)展的年月。這門學(xué)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(zhì)，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(shù)內(nèi)在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴(yán)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(yù)報、資源勘探、藥物設(shè)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(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)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(dǎo)航、潛艇定位、醫(yī)學(xué)檢測、引力波探測等的準(zhǔn)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(nèi)，迫不及待地希望祖國能很快跟上這個新興科技領(lǐng)域的發(fā)展步伐，在信息技術(shù)領(lǐng)域抓住這次趕超發(fā)達(dá)國家并掌握主動權(quán)的機會。

從1997年開始，我每年都利用假期回到中國科大講學(xué)，為我國在量子信息領(lǐng)域的發(fā)展提出建議，并帶動一批研究人員進入該領(lǐng)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(xué)基金委海外青年學(xué)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(xué)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(xué)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?？?。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(xué)會和美國物理學(xué)會評選出的年度國際物理學(xué)重大進展，這對中國科學(xué)家來說是第一次。

量子信息科學(xué)領(lǐng)域是一個日新月異、正在迅速發(fā)展的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，需要各方面的人才和技術(shù)，需要與世界上優(yōu)秀的科研團體合作，學(xué)習(xí)他們的先進技術(shù)和經(jīng)驗。正是考慮到這一學(xué)科背景，在2003-2008年間，我國內(nèi)、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(shù)，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(xué)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(nèi)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(shù)積累，取得了一系列國際領(lǐng)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(shù)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(xué)會年度物理學(xué)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(jié)果提高了兩個數(shù)量級。

2008年，在完成了充分的技術(shù)積累和人才儲備后，我放棄了在海德堡大學(xué)的職位，同時將在海德堡大學(xué)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(xué)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。

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(nèi)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(xué)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(xué)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(nèi)開展國際領(lǐng)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(rèn)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?qū)嵱没较蜻M一步推進；二是發(fā)展量子模擬及量子精密測量技術(shù)，用發(fā)展起來的量子操縱技術(shù)反過來推動量子物理和凝聚態(tài)物理方面的基礎(chǔ)研究，這將使量子科學(xué)與技術(shù)之間形成良性的正反饋關(guān)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(yīng)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(xué)家們那樣，為國家和社會的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一份力量。我更應(yīng)該感謝我們祖國在經(jīng)濟建設(shè)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(xué)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(dá)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(nèi)充分發(fā)揮他們的創(chuàng)造力，成為前沿研究領(lǐng)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(chǔ)科學(xué)研究的敏銳判斷力和決策力。