“70后”院士潘建偉：“糾纏”于量子通信夢(mèng)

呂斌

在2016年1月8日舉行的全國(guó)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，1970年出生的中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉作為唯一獲獎(jiǎng)代表發(fā)言。由他領(lǐng)銜的“多光子糾纏及干涉度量”項(xiàng)目獲得2015年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，在過(guò)去十幾年中，該獎(jiǎng)項(xiàng)曾出現(xiàn)9次空缺；他同時(shí)也是1999年至今自然科學(xué)獎(jiǎng)最年輕的第一完成人。

潘建偉團(tuán)隊(duì)一直活躍在國(guó)際物理學(xué)前沿。如今，他帶領(lǐng)平均年齡三十六七歲的年輕團(tuán)隊(duì)在世界量子研究領(lǐng)域占據(jù)一席之地。他們的研究成果1次入選《自然》評(píng)選的“年度十大科技亮點(diǎn)”，3次入選英國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的“年度物理學(xué)重大進(jìn)展”，3次入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的“年度物理學(xué)重大事件”，這在中國(guó)科學(xué)界十分少見(jiàn)。

探尋多粒子糾纏奧秘

潘建偉個(gè)頭不高，思索時(shí)極其嚴(yán)肅，笑起來(lái)卻像個(gè)天真爛漫的少年。每當(dāng)向人談起科學(xué)，他的眼里總是閃爍著光芒。

“在微觀世界里，所有的東西都是顆?；摹艄庖膊焕?，也是由一顆顆極小的光子組成。多個(gè)光子之間通過(guò)一種相互作用就會(huì)形成多光子糾纏，對(duì)多光子糾纏進(jìn)行操作就叫做多光子糾纏干涉度量學(xué)。”

量子世界充滿著奇妙現(xiàn)象，其中一個(gè)就是量子糾纏。潘建偉拿骰子作比：“如果兩個(gè)骰子處于糾纏態(tài)，扔的時(shí)候，會(huì)各自隨機(jī)得到一個(gè)結(jié)果，但無(wú)論相距多遠(yuǎn)，兩邊的結(jié)果都將是完全一樣的。光子也一樣，就像是雙胞胎之間的心靈感應(yīng)，無(wú)論相距多遠(yuǎn)，糾纏在一起的光子的狀態(tài)總是完全相同的?！?/p>

量子概念出現(xiàn)100多年間，經(jīng)普朗克、愛(ài)因斯坦、玻爾等科學(xué)家的不懈努力，建立起了量子力學(xué)理論的基礎(chǔ)。1935年，愛(ài)因斯坦等科學(xué)家指出，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)基本觀念的定域?qū)嵲谡撝g，存在著根本矛盾：定域?qū)嵲谡摳嬖V我們，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)瞬間改變另外一個(gè)粒子的量子狀態(tài)。愛(ài)因斯坦把這一現(xiàn)象稱為“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)”。

這種“詭異互動(dòng)”到底是否存在，一直停留在思維辯論的階段。直到1964年，Bell指出，在兩粒子糾纏中，對(duì)于某一類(lèi)隨機(jī)事件發(fā)生的概率，量子力學(xué)與定域?qū)嵲谡摻o出不同的預(yù)言，因而通過(guò)Bell不等式可以從統(tǒng)計(jì)意義上對(duì)量子力學(xué)非定域性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

隨著人類(lèi)對(duì)量子力學(xué)非定域性的深入研究和量子調(diào)控技術(shù)的巨大進(jìn)步，量子物理原理在信息科學(xué)中的革命性應(yīng)用開(kāi)拓了與經(jīng)典方式具有本質(zhì)區(qū)別的全新的信息處理和通信方式，催生了量子信息科學(xué)這一新學(xué)科。潘建偉介紹說(shuō)：“通過(guò)對(duì)光子、原子等微觀粒子進(jìn)行精確的人工操縱，量子力學(xué)原理提供了一種全新的方式對(duì)信息進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)、傳輸和調(diào)制，在提高運(yùn)算速度、確保信息安全和提升測(cè)量精度等方面能夠突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸?！?/p>

其中，多粒子糾纏具有深刻的物理內(nèi)涵和巨大的應(yīng)用價(jià)值。一方面，Bell不等式僅從統(tǒng)計(jì)意義上揭示了量子非定域性。1989年，Greenberger、Horne和Zeilinger提出GHZ定理：對(duì)于某些多粒子糾纏體系的某類(lèi)事件，量子力學(xué)預(yù)言它必然發(fā)生，而定域?qū)嵲谡擃A(yù)言它必然不發(fā)生。利用多粒子糾纏，能夠以確定性的方式揭示出量子的非定域性。另一方面，量子信息處理能力隨糾纏粒子數(shù)的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，多粒子糾纏是量子信息處理的核心資源。而這一切的實(shí)現(xiàn)有賴于糾纏粒子數(shù)目的不斷增加。

然而，多粒子糾纏操縱存在巨大的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。2003年之前國(guó)際上基本處于對(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)制備和操縱幾乎為空白。

2003年，潘建偉團(tuán)隊(duì)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)，并通過(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，他們一直在多光子糾纏操縱實(shí)驗(yàn)研究上處于國(guó)際領(lǐng)先地位，先后在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了五光子（2004年）、六光子（2007年）、八光子（2012年）糾纏，一直保持著糾纏光子數(shù)目的世界紀(jì)錄。

從跟隨到引領(lǐng)

1996年，碩士畢業(yè)的潘建偉來(lái)到量子力學(xué)的發(fā)源地———奧地利，師從世界量子物理實(shí)驗(yàn)研究大師、因斯布魯克大學(xué)Zeilinger教授。

“他剛來(lái)時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)工作一無(wú)所知，但是他很快就掌握了實(shí)驗(yàn)規(guī)則，并開(kāi)始設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)?！痹凇蹲匀弧冯s志的采訪中，Zeilinger教授說(shuō)道。

回想起這段國(guó)外求學(xué)經(jīng)歷，潘建偉始終難忘一次“過(guò)時(shí)”的發(fā)現(xiàn)?！?996年，我對(duì)兩個(gè)粒子進(jìn)行處理的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)一個(gè)粒子的狀態(tài)跑到另一個(gè)很遠(yuǎn)的粒子上面去了，我當(dāng)時(shí)以為有了重大發(fā)現(xiàn)。其實(shí)早在1993年，別的科學(xué)家就提出過(guò)這個(gè)方案，這就是量子隱形傳態(tài)的方案。盡管如此，我仍感覺(jué)像是再發(fā)現(xiàn)一樣，覺(jué)得特別有意思?！?/p>

同樣為此感到興奮的，還有Zeilinger教授。他看到了這個(gè)中國(guó)男孩的科研潛力，同意他加入這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

就這樣，潘建偉的科研之路逐漸步入正軌。

1997年，Zeilinger教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了單光子單一自由度的量子隱形傳態(tài)，并發(fā)表在《自然》雜志上，潘建偉是第二作者。該研究成果后來(lái)同倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論等影響世界的重大研究成果一起被選入《自然》雜志“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。

7年之后的2004年，潘建偉率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了終端開(kāi)放的、多接收用戶的量子隱形傳態(tài)。這一成果入選當(dāng)年英國(guó)物理學(xué)會(huì)和美國(guó)物理學(xué)會(huì)的“年度國(guó)際物理學(xué)重大進(jìn)展”，這是中國(guó)科學(xué)家第一次入選。

從2004年起，潘建偉團(tuán)隊(duì)不斷取得重大突破。2006年，他們實(shí)現(xiàn)了多個(gè)粒子狀態(tài)的量子隱形傳態(tài)。2015年，潘建偉和他的學(xué)生陸朝陽(yáng)一起首次實(shí)現(xiàn)了單光子多自由度的量子隱形傳態(tài)。這項(xiàng)研究成果入選2015年度英國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的國(guó)際物理學(xué)領(lǐng)域的十項(xiàng)重大突破并名列榜首。

“1997年，我們只能傳送一個(gè)粒子的狀態(tài)。2004年，我們可以將粒子的狀態(tài)傳送到計(jì)算網(wǎng)絡(luò)里任何一個(gè)終端。隨后逐漸可以傳送許多粒子的狀態(tài)，傳送的狀態(tài)也變得越來(lái)越復(fù)雜。”

針對(duì)潘建偉團(tuán)隊(duì)2015年取得的重大突破，英國(guó)物理學(xué)會(huì)《物理世界》指出，自1997年以來(lái)，原子自旋、相干光場(chǎng)以及其他實(shí)體等所有單個(gè)量子態(tài)也相繼被傳送，但是所有這些實(shí)驗(yàn)都局限于傳送單一屬性，將傳送的屬性擴(kuò)展至哪怕兩個(gè)屬性，都被認(rèn)為是創(chuàng)舉。

“從基礎(chǔ)研究的觀點(diǎn)來(lái)看，我們首次證明了一個(gè)粒子所有的性質(zhì)在原理上都可以通過(guò)量子糾纏傳到很遠(yuǎn)的地方。對(duì)量子隱形傳輸來(lái)說(shuō)，真正要傳輸一個(gè)微觀粒子的狀態(tài)，需要把一個(gè)微觀粒子所有的性質(zhì)都傳過(guò)去。”潘建偉告訴筆者。

量子隱形傳輸有點(diǎn)像神話故事里孫悟空的“筋斗云”。利用量子糾纏，可以把一個(gè)物體通過(guò)某種適當(dāng)?shù)牟僮鲝囊粋€(gè)地方傳到遙遠(yuǎn)的地方，傳輸?shù)乃俣仁枪馑伲?/p>

“當(dāng)然，利用量子隱形傳輸傳送物體和人還不行，但是可以用來(lái)做量子通信和量子計(jì)算。量子通信可以實(shí)現(xiàn)原理上是無(wú)條件安全的信息傳輸。量子計(jì)算則具有強(qiáng)大的并行計(jì)算和模擬能力，隨著量子糾纏數(shù)目的增多，它的計(jì)算能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)天河二號(hào)?！?/p>

英國(guó)《新科學(xué)家》雜志在“中國(guó)崛起”特刊中指出，“潘和他的同事使得中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)———也是整個(gè)中國(guó)，牢牢地在量子計(jì)算的世界地圖上占據(jù)了一席之地”；英國(guó)《自然》雜志在新聞特稿《量子太空競(jìng)賽》中指出：“這標(biāo)志著中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的崛起，從十年前不起眼的國(guó)家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美……”

科技回報(bào)社會(huì)

盡管當(dāng)初在國(guó)外發(fā)展得很好，潘建偉還是于2001年回到國(guó)內(nèi)組建實(shí)驗(yàn)室。“我們搞高科技的人有一個(gè)責(zé)任，要讓我國(guó)科技從跟蹤、模仿變成引領(lǐng)。同時(shí)讓廣大人民享受到科技紅利?！迸私▊フf(shuō)。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算能力的提高，傳統(tǒng)上認(rèn)為很難破解的加密方法逐漸被一一破解，網(wǎng)絡(luò)犯罪每年給全球帶來(lái)數(shù)千億美元的經(jīng)濟(jì)損失。潘建偉告訴筆者，量子通信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。它克服了經(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。

量子通信具有如此強(qiáng)大的功能，主要依靠量子密鑰分發(fā)。量子密鑰分發(fā)雖然在理論上具有無(wú)條件安全性，但原始方案要求使用理想的單光子源和單光子探測(cè)器，而這在現(xiàn)實(shí)條件下很難實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)可能存在各種安全隱患。

2007年，潘建偉團(tuán)隊(duì)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)了安全通信距離超過(guò)100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，從而打開(kāi)了量子通信技術(shù)實(shí)用化的大門(mén)。

“光源問(wèn)題解決之后，大家以為很安全了。但是到了2010年，發(fā)現(xiàn)理論的安全性跟實(shí)際的安全性仍有差距，發(fā)射端是安全的，但是接受端有一個(gè)強(qiáng)光攻擊，竊聽(tīng)者可以通過(guò)強(qiáng)的信號(hào)讓你的探測(cè)器在其希望給出信號(hào)的時(shí)候才給出信號(hào)。所以只能看到竊聽(tīng)者想讓我們看見(jiàn)的東西，這樣一來(lái)竊聽(tīng)者就完全掌握我們的密鑰了。2012年，我們解決了探測(cè)器的漏洞?！?/p>

然而他們并不滿足于此。“這個(gè)技術(shù)在光纖通道中只適用于城域網(wǎng)，覆蓋范圍很小。隨后我們開(kāi)展了一些新的工作，比如說(shuō)在可信中繼的幫助下，保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)都安全的情況下，構(gòu)建大尺度的通信骨干網(wǎng)工程。最終目的是構(gòu)建一個(gè)廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。”

目前，以潘建偉團(tuán)隊(duì)為主要建設(shè)單位的遠(yuǎn)距離量子通信骨干網(wǎng)“京滬干線”項(xiàng)目正在建設(shè)之中，它將建設(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、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，于2016年下半年建成。

與此同時(shí)，中科院量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星也將在2016年下半年發(fā)射，將在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)高速的星地量子通信并連接地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建中國(guó)的廣域量子通信體系。

量子在通信方面展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，如果將它運(yùn)用于計(jì)算機(jī)，會(huì)發(fā)生怎樣的變革呢？潘建偉告訴筆者，因?yàn)榱孔颖忍乜梢酝瑫r(shí)處于0和1的疊加狀態(tài)，這意味著量子計(jì)算機(jī)能同時(shí)嘗試所有可能的解，以遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。

“在量子計(jì)算方面，我們希望通過(guò)3到5年的努力能夠達(dá)到25個(gè)左右粒子的光子糾纏，這個(gè)時(shí)候它在某些問(wèn)題上的計(jì)算能力，比如在波色取樣方面和目前商用CPU的速度一樣。通過(guò)10年左右的努力，我們希望實(shí)現(xiàn)50個(gè)甚至100個(gè)粒子的糾纏，這個(gè)時(shí)候我們的計(jì)算能力就能夠大大超過(guò)天河二號(hào)?！?/p>

然而，隨著量子糾纏數(shù)目的增加，實(shí)驗(yàn)的難度也逐漸增大。量子計(jì)算的最大挑戰(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)。以往的量子糾錯(cuò)要求量子比特的錯(cuò)誤率小于10-5，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)水平。

2012年，潘建偉團(tuán)隊(duì)利用八光子糾纏首次實(shí)現(xiàn)了拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)，將錯(cuò)誤率的要求大大放松到10-2，使有效量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)可能。該研究成果以“長(zhǎng)文”（article）的形式發(fā)表在Nature紀(jì)念圖靈誕辰100周年的特刊上。

潘建偉希望，在他的有生之年，可以看到一種以量子計(jì)算為終端、用量子通信做安全保障的互聯(lián)網(wǎng)誕生?！翱茖W(xué)研究不僅要仰望星空，也要腳踏實(shí)地。我們不能再像以前那樣，用一火車(chē)的東西去換人家一皮包的芯片。我們不僅要關(guān)注原始創(chuàng)新，也要鼓勵(lì)成果轉(zhuǎn)化，為國(guó)計(jì)民生做些事情，讓普通老百姓享受科技帶來(lái)的利益。我們的團(tuán)隊(duì)正在朝著這個(gè)方向努力?！?/p>

打造“百年老店”

建造世界一流的量子實(shí)驗(yàn)室，潘建偉已經(jīng)夢(mèng)想成真。如今，他所思考的是如何保證這個(gè)實(shí)驗(yàn)室成為“百年老店”。

“要成為‘百年老店，只做一個(gè)方向是不行的。所以這也是為什么我們把冷原子做起來(lái)了。同時(shí)一定要和別人不停地溝通和交流，源源不斷地把好的知識(shí)帶回來(lái)，這條路我們是走出來(lái)了。”

20年前，潘建偉出國(guó)留學(xué)的經(jīng)歷，使他收獲頗多?！俺鋈ブ蟠_實(shí)學(xué)到了很多國(guó)際上最前沿的東西，同時(shí)也得到了大師的指導(dǎo)。大師會(huì)告訴你，這里有果子，如果你有能力的話就能夠摘到。當(dāng)你真的摘到果子后，自信心也出來(lái)了。你會(huì)發(fā)現(xiàn)原來(lái)你的能力和大師是完全可以比肩的?！?/p>

2001年，潘建偉回國(guó)籌建實(shí)驗(yàn)室。他告訴筆者：“當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)對(duì)量子信息的認(rèn)識(shí)不足，有人甚至說(shuō)這是偽科學(xué)。相比認(rèn)知上的困難，人才缺乏的問(wèn)題更加突出。量子研究需要多方面人才，一個(gè)人建不起一個(gè)實(shí)驗(yàn)室?！?/p>

那時(shí)，他開(kāi)始在中科大物色學(xué)生。彭承志、陳宇翱、陸朝陽(yáng)等一批非常優(yōu)秀的年輕人相繼加入他的實(shí)驗(yàn)室。他心里明白，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需要多學(xué)科人才，而學(xué)習(xí)國(guó)外頂尖實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)技術(shù)，是快速提升實(shí)驗(yàn)室實(shí)力的最好辦法。

因此，潘建偉在國(guó)內(nèi)發(fā)展多光子糾纏操縱的同時(shí)，以瑪麗·居里講席教授的身份在德國(guó)海德堡大學(xué)開(kāi)展合作研究，同時(shí)將學(xué)生分別送往奧地利因斯布魯克大學(xué)、英國(guó)劍橋大學(xué)、德國(guó)馬普量子光學(xué)所、瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、美國(guó)斯坦福大學(xué)……就像一道鮮美可口的菜肴需要不同的原料摻雜在一起，發(fā)生奇妙的化學(xué)反應(yīng)一樣，他就是那個(gè)掌廚人。

2008年，在完成了充分的技術(shù)積累和人才儲(chǔ)備后，潘建偉放棄了海德堡大學(xué)的職位，將在海德堡大學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置陸續(xù)搬遷回中科大，同時(shí)將一批優(yōu)秀的年輕人才陸續(xù)從世界各地引回到中科大，組成了一批以優(yōu)秀青年人才為主、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的研究團(tuán)隊(duì)，并逐漸建立起具有國(guó)際先進(jìn)水平的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。近年隨著中國(guó)量子物理研究的聲名鵲起，一些外籍專家和學(xué)生也陸續(xù)加入他們的團(tuán)隊(duì)。據(jù)了解，潘建偉團(tuán)隊(duì)中已有2位外籍教授、6名外籍留學(xué)生。

就量子信息科學(xué)來(lái)說(shuō)，他們正圍繞著3個(gè)問(wèn)題開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究：如何讓量子的相干性保持時(shí)間更長(zhǎng)一些，讓糾纏粒子的數(shù)目越來(lái)越多以及讓控制和制備的效率越來(lái)越高。“我們與國(guó)際上的大方向是一致的，就看誰(shuí)跑得快。從整體上來(lái)說(shuō)，我們是領(lǐng)先的?！迸私▊プ院赖馗嬖V筆者。（責(zé)編 孫禮勇）