潘建偉：手握量子“密鑰”的人

彭丹妮

物理學家給人們的刻板印象，就像《生活大爆炸》里謝爾頓那樣——不善言辭，甚至有輕度社交障礙。然而，潘建偉善于溝通。無論面對記者還是成百上千的普通聽眾，他都能侃侃而談，不時用通俗易懂的例子解釋晦澀的量子物理。

很多人也注意到了他的這種特質(zhì)?！度A盛頓郵報》曾這樣描述他的演講風格：在2019年7月于上海舉辦的一場學術論壇上，潘建偉用科學癡人愛因斯坦與“星際迷航”的笑話來輔助幻燈片演示;在談到“薛定諤的貓”這個量子物理中的經(jīng)典思想實驗時，潘則運用站立又平躺的卡通貓圖片來解釋量子疊加的概念。

這樣健談的風格，或許是這位物理學家能夠為其艱深的科學研究找到更多支持的一個砝碼。“潘建偉是熱情的樂觀主義者，同時，他有說服投資者的天賦?！薄蹲匀弧冯s志這樣評價他。

作為眼下中國最當紅的科學明星：2017年，潘建偉被《自然》雜志評為年度十大科學人物;2018年，入榜美國《時代》周刊年度最具影響力人物;同年冬天，他與諾貝爾獎得主屠呦呦等人一起，入選中國100位改革開放先鋒人物。

明星科學家之路

2017年9月29日，在北京海淀區(qū)西北旺地區(qū)一處寫字樓里面，奧地利首都維也納和北京這兩個相隔半個地球的城市之間舉行了一場不尋常的視頻連線。這次通話的信號路線，先通過“京滬干線”北京控制中心與“墨子號”衛(wèi)星興隆地面站的連接，然后通過“墨子號”衛(wèi)星與奧地利地面站接通。

此次視頻依然使用傳統(tǒng)通信，特殊之處在于采用量子密鑰對信息進行加密，使其成為世界上首個跨洲際的量子保密視頻通信。在中國領先的前沿科技中，量子通信是濃墨重彩的一筆，而潘建偉和他領導的團隊，則是促成這一優(yōu)勢的核心因素。

1996年，在中科大近代物理系完成本科與碩士階段學習的潘建偉，進入奧地利因斯布魯克大學攻讀博士學位，師從安東·塞林格。彼時，他并不知道塞林格正領銜著一個量子信息研究大型項目——在中國，當時一個科研項目的經(jīng)費常常只有5萬、10萬元人民幣，而這個項目卻是一百多萬歐元級別的。

在世界級實驗室，潘建偉一邊在一線參與實驗，同時也在琢磨將來應該往什么方向發(fā)展。那時候，他就已經(jīng)開始留心所學所做，打算未來將這一新興技術帶回中國。

潘建偉在因斯布魯克大學就讀期間，量子計算機最早的開拓者之一彼得·佐勒是該校的教授。他說，潘參與了量子通信早期的實驗，并奠定了他在領域中的地位。但將潘建偉與其他學生區(qū)分開來的，則是一種能夠看清下一步并著手計劃的“遠見”。

彼得·佐勒認為，如果他的學生、清華量子信息中心執(zhí)行主任段路明是那種深耕某一個方向、不太擅長表達也不愿意被其他事物分心的科學家，那么潘建偉則是另一種類型：他不一定親自去撥弄實驗器材，但是他能站在后方運籌帷幄。段路明比潘建偉小三歲，潘建偉從因斯布魯克大學博士畢業(yè)那年，段路明赴該校理論物理研究所從事博士后研究。

中國對量子物理的研究，最早可追溯至1970年代，那時候的研究還比較零散，不成氣候。1980年代，中科大的郭光燦與山西大學的彭堃墀等一批先行者們，開始系統(tǒng)性地涉足量子物理。二人后來同在2003年當選為中科院院士。先于潘建偉十多年之前，1995年，中科院物理所研究員吳令安實現(xiàn)了國內(nèi)第一個自由空間量子密鑰分發(fā)演示實驗。2001年，在郭光燦的多方努力下，他終于申請到了第一個國家科技部“973”項目“量子通信與量子信息技術”。就在這一年，從德國回到中國科大的潘建偉，也在郭的項目中擔任相關課題的負責人，并開始著手建立自己的實驗室。

“潘的專長主要是光子以及量子儲存器，但是他會想到，如果要在國際競爭中有一席之地，還需要哪些拼圖，并有眼光選擇未來能夠帶領各個板塊的年輕人?！北说谩ぷ衾照f。如今，“潘建偉的研究團隊幾乎覆蓋了量子信息科學的所有領域，包括冷原子、精密測量、超導量子計算和量子傳感器等等。”彼得·佐勒說，“這就像打好了一個寬的地基，以后才能在上面蓋高塔，而不是手里只拿著一塊磚?！?/p>

潘建偉通過送學生去國際一流機構深造來培養(yǎng)團隊。在美國斯坦福、英國劍橋、牛津等頂尖大學的相關實驗室，都有他派出去合作研究的學生。“我跟學生們說，咱們做一個約定：大家把幾個技術全學會，然后在適當?shù)臅r候一起回國，合起來做一點別的團隊做不了的事情?！迸私▊フf。

潘的團隊從2003年開始做量子衛(wèi)星的實驗：系列地面實驗證明，通過衛(wèi)星進行保密通信是可行的。在潘建偉的領導下，2016年8月，量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，是全球首顆量子衛(wèi)星;2017年9月，長度超過2000千米、由32個中繼站組成的世界上第一條長距離量子安全通信線路“京滬干線”投入使用。

在潘建偉團隊實施這些項目之前，國際上已經(jīng)開展了多個量子密鑰分發(fā)傳輸?shù)膶嶒灐?993年，英國國防部在10公里的光纖中實現(xiàn)了相位編碼量子密鑰分發(fā);1999年，美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室實現(xiàn)了500米的量子密碼自由空間傳輸;2002年，瑞士實現(xiàn)了67公里的量子密鑰分發(fā)實驗;2004年，世界上第一個量子密碼通信網(wǎng)絡在美國馬薩諸塞州劍橋城正式投入運行，網(wǎng)絡傳輸距離約為10公里。

2018年，沃爾夫物理學獎頒給了量子通信領域的兩位科學家本內(nèi)特與布拉薩德，他倆既是量子密鑰分發(fā)方案的提出者，也是量子隱形傳態(tài)的最早提出者。在潘建偉提供的一份資料中寫道：“2019年在介紹沃爾夫物理學獎獲得者的網(wǎng)頁上專門提到，量子密鑰分發(fā)已經(jīng)成功實現(xiàn)商業(yè)化，在光纖中已經(jīng)能做到幾百公里，用衛(wèi)星可以做到上千公里。需要指出的是，這兩個紀錄都是我國科學家創(chuàng)造的……這是中國科學家的貢獻，也是中國量子通信領先世界的標志?！睋Q句話說，中國人雖然沒有做出量子密鑰分發(fā)的基礎理論原始創(chuàng)新，但在應用實踐中走在了世界前面。

“大時代”

1984年，只是中國科大物理系一名普通講師的郭光燦，還在為區(qū)區(qū)2000多元的辦會經(jīng)費而奔波。他向學校爭取到經(jīng)費后，在安徽省滁州市瑯琊山瑯琊寺召開了全國第一屆量子光學學術會議，邀請到了50多人參會。而郭所從事的量子科研，當時一度因被質(zhì)疑為偽科學，申請科研項目時屢屢碰壁。

時光流轉，到了2001年，當潘建偉回國組建自己的實驗室時，他透露“中科院與基金委給了690萬的資金支持，這在當時是筆巨款。”這筆錢是他的團隊開展一些小規(guī)模前瞻性研究的基礎。

在2018年10月末的一場量子技術國際研討會上，法國科學院院士阿蘭·阿斯佩表示，中國同行能走到世界前列，一方面得益于有非常好的想法，一方面得益于他們能夠申請到足夠的經(jīng)費去實現(xiàn)這個想法、達到現(xiàn)在這種規(guī)模，這也是中國經(jīng)濟高速發(fā)展的結果。

量子通信衛(wèi)星

多位從事量子通信領域研究的外國學者都提到，過去，因成本考慮，歐洲和美國都不愿意投資量子衛(wèi)星。俄羅斯量子中心專門研究量子加密攻防的科學家Vadim Makarov在接受采訪時就表示，“我們沒辦法說服一些歐洲國家與美國政府對這個領域給予足夠的投資，而中國做到了?！?p>

在中國科技大學量子儲存與量子中繼實驗室里，潘建偉與團隊成員交流。

“如果沒有國家強大的經(jīng)費支持，就沒有辦法做那些實驗，只能光在紙上談兵了?！比A南師范大學信息光電子科技學院教授張智明近來接受媒體采訪時表示，在量子科學等基礎研究方面，國家經(jīng)費支持強度很大，普通項目也都能申請到七八十萬，而一些受重視的大團隊，要人有人、要錢有錢，“有些項目的經(jīng)費多達數(shù)千萬、上億元?！?/p>

在多個公開場合，潘建偉都提到這種國家支持的意義?！拔覀冋幵谝粋€大時代，更好的說法是新時代，這得益于國家經(jīng)濟的發(fā)展，讓我們能夠做一些讓國外的同事也羨慕的事情。”在2017年的未來科學大獎頒獎典禮上，潘建偉如是說。

據(jù)大連理工大學一支研究團隊2019年3月發(fā)布的《中國研發(fā)經(jīng)費報告（2018）》，2009～2016年，中國政府研發(fā)經(jīng)費支出從1358億元增長至約3141億元，平均年增長率為13%;2017年中國全社會研發(fā)經(jīng)費投入已達1.76萬億元，僅次于美國。

更多資金正在向量子技術領域涌入，擁有全國政協(xié)委員身份的潘建偉在其中扮演重要角色。2017年7月，作為量子信息科學國家實驗室的先行探索，中國科學院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院揭牌，潘建偉擔任院長，安徽省、合肥市首期聯(lián)合安排了10億元專項科研資金進行前期配套，安徽省也成立了遠期規(guī)?？蛇_100億元的量子技術發(fā)展基金支持科技成果轉化。2017年年底，合肥量子信息科學國家實驗室全面開工，總投資約70億元。

“量子”競爭

據(jù)《紐約時報》2018年底報道，受中國近來量子研究取得的進展所震動，美國正在努力追趕。南加州初創(chuàng)企業(yè)Qubitekk正在使用量子加密技術來保護田納西州的電網(wǎng);另一家美國公司Quantum Xchange正在曼哈頓和紐瓦克之間建設量子加密網(wǎng)絡，并計劃把在這兩個城市運營的大型銀行連接起來，且希望這個通信網(wǎng)可以延伸至美國整個東海岸。

“2017年‘京滬干線開通之后，中間有一段時間其他國家（的量子保密通信研究）是空檔期，處于一個震驚、或者說思考階段。那么從2018年開始就不一樣了?！迸私▊ソ榻B，從2018年開始，如夢初醒的美國開始建類似“京滬干線”的網(wǎng)絡;在歐洲，同樣的計劃也納入了德國、意大利、英國等國家的待建清單。2019年6月下旬，7個歐盟國家簽署宣言，宣布要在接下來的12個月里共同探索如何在未來10年里貫通整個歐盟地區(qū)的量子加密通信基礎設施，包括路面與衛(wèi)星兩個系統(tǒng)。

眼下，潘建偉正在積極推進國家層面的量子信息科技布局。在多個公開場合，包括在2018年全國兩會上，他都在呼吁：盡快實質(zhì)性地啟動國家實驗室建設以及相關領域的科技創(chuàng)新2030項目?！翱萍紕?chuàng)新2030項目”由國家科技部牽頭啟動，共有16個項目，其中包括量子通信與量子計算機。

“在重大項目的支持之下，經(jīng)費和組織有保證，才能把事情做好，”潘建偉說，量子保密通信目前的應用還停留在“大哥大”的水平，看起來又笨重又昂貴。因此，在這方面，要繼續(xù)做應用基礎研究，提高速率和距離，然后降低成本、工程上做到小型化，在這些基礎上探索量子保密通信的商業(yè)化應用。

“量子保密通信現(xiàn)在基本上已經(jīng)與科學沒有什么關系了?，F(xiàn)在主要的問題是，如何將它轉換為一個成熟的商業(yè)模式推向市場。比如說，如何合理地定價，是給客戶銷售加密服務還是密鑰這類商業(yè)問題?！倍砹_斯量子中心的科學家Vadim Makarov說。

“在量子科技中，從原理上來說量子保密通信是比較容易實現(xiàn)的，這也解釋了為何量子密鑰技術最先走向市場，當然，量子中繼器是遠距離量子保密通信現(xiàn)在難以逾越的瓶頸;但另一條平行線上，研發(fā)量子計算機是一個難度大得多的游戲?！北说谩ぷ衾照f。

2016年12月，英國政府科學辦公室發(fā)布的《量子時代：技術機會》報告認為，人類正處在第二次量子革命的前夜，并將原子鐘、量子成像、量子傳感器和測量、量子計算和模擬以及量子通信作為五大重點研發(fā)領域。

彼得·佐勒說，如果你遠眺量子科技里的群山，這里面只有一座珠穆朗瑪峰，那便是量子計算機。量子通信，自然是其中一座，但是要容易攀爬得多。

在量子信息技術中，多位業(yè)內(nèi)人士認為，量子精密測量是最接近產(chǎn)業(yè)化與實用化的，通過量子態(tài)對外界進行測量的方法，在精度上突破了經(jīng)典力學的散粒噪聲極限。潘建偉也指出，不同于功能單一的量子通信與量子計算，量子精密測量的用途很廣，包括時間、長度、溫度等尺度，他預計接下來的5到15年間，各式各樣的應用會陸續(xù)推出。

在該領域，中國也扮演重要角色。2019年8月，中科大郭光燦團隊與南京大學合作，優(yōu)化了量子弱測量的測量方法，把單光子克爾效應測量精度再次提升接近一個量級，實驗結果首次逼近了最優(yōu)海森堡極限——量子力學理論范疇內(nèi)所能達到的最高精度;9月，中科大杜教授杜江峰團隊運用量子技術，首次在室溫水溶液環(huán)境中探測到單個DNA分子的磁共振譜。不過，潘建偉認為，量子精密測量，也是中國跟國際上差距最大的地方。

“在陸地與衛(wèi)星通信線路的長度來看，潘建偉帶領的中國量子加密網(wǎng)路無疑是世界領先的，可能要比美國領先10年;但是在量子計算機的發(fā)展上，中美的情況則恰恰相反?！泵绹芬姿拱材侵萘⒋髮W理論物理學教授喬納森·道林說。

在IBM、谷歌與微軟等大企業(yè)的投資下，美國的量子計算機研發(fā)在全球領先。據(jù)市場研究機構Patinformatics數(shù)據(jù)，2018年，中國在量子科技領域申請的專利數(shù)量為492項，差不多是美國的兩倍，居于世界領先;但是從細分領域來看，美國的量子計算機專利數(shù)量為193，中國僅為63。

2019年10月23日，谷歌宣布其實現(xiàn)了“量子霸權”：谷歌在當天發(fā)表的論文中表示，已經(jīng)開發(fā)了一款54量子比特數(shù)的量子芯片Sycamore，在執(zhí)行一個隨機數(shù)字采樣的任務上超越了經(jīng)典計算機。不過，質(zhì)疑的聲音認為，它執(zhí)行的計算任務沒有已知用途，不足以證明其通用性。所謂量子霸權，是指量子計算設備可以超越經(jīng)典計算機，解決后者無法完成的計算任務。

彼得·佐勒說，今天，實驗室中已經(jīng)有了20或50量子比特數(shù)的小型量子計算機，但如果要這些設備真正可實用，需要的是突破量子容錯糾錯難題?！霸诮酉聛淼?年到10年，我們可能會看到幾百量子比特數(shù)的量子計算機冒出來，有些有部分糾錯能力，有些沒有。但最終大規(guī)模、高速度的量子計算機，我猜可能需要上萬、甚至上百萬量子比特，以及強大的容錯能力。”

量子計算的物理實現(xiàn)方案不止一種，對于目前該領域的競爭態(tài)勢，彼得·佐勒認為，人們用不同的方法在這個游戲中競爭，就好像選擇不同的攀登路線，但現(xiàn)在攀登者們的位置，卻都還在山腳。

量子科技儼然成為當下國際競爭中的必爭之地，引來各國大手筆下注。2018年6月，美國眾議院科學委員會一致通過了《國家量子行動法案》，2019～2023年，美國將在量子研究方面投入12.75億美元;2018年10月，歐盟宣布《量子旗艦計劃》將在未來10年間在量子傳感器、量子通信與量子計算機領域投入10億歐元。

彼得·佐勒驚訝于這么充裕的資金進入量子科技領域。25年前，當彼得·佐勒等一批量子計算機領域的先鋒們提出這個想法時，他們面對的幾乎都是質(zhì)疑聲，一位諾貝爾獎得主曾經(jīng)“潑冷水”說，“量子計算兩年后就會被遺忘”。

如今，彼得·佐勒感受到的是另一種截然相反的態(tài)度：人人都在談論量子。越來越多的公司和資本進入這個領域，做出各種各樣的承諾，“但是到了某個節(jié)點，人們會問，你們許諾的東西真正實現(xiàn)了多少？”

“我們有理由對量子科技的未來保持熱情，但不要過分炒作?！北说谩ぷ衾照f，過分炒作意味著過高的期望值，而不切實際的期待往往意味著失望的情緒，最終受傷的是科學家們?！拔腋艺f當人們期待落空，量子領域將會進入寒冬?！?p>

潘建偉介紹“超導量子計算機路線圖”

（許建軍薦自《中國新聞周刊》）