“操纵量子”之梦

21ic通信网讯，处于纠缠态的量子之间，会有神奇的“心灵感应”：它们即使隔着一整个太阳系，改变其中一个的状态，另一个也会随之改变。它们之间的感应速度究竟有多快？70余年来，物理学家一直在寻求准确、完美的答案。

7月底，中国科学技术大学潘建伟院士领衔的自由空间量子通信团队给出了一个迄今为止相对最完善的答案：在所有相对地球以千分之一光速或更低速度运行惯性参照系中，至少为光速的一万倍。这个刊发在国际著名学术期刊《物理评论快报》上的漂亮结果，在国际量子物理学界再次引起强烈反响。

其实，潘建伟的团队在量子领域已奋斗了十几年。2007年11月，英国著名科普杂志《新科学家》在“中国崛起”一文中这样写道：“潘建伟和他的同事使中国科大乃至整个中国在量子计算机的世界地图上稳稳地占有了一席之地。”

潘建伟与他的团队在青海湖做量子实验时发射出的光量子。

2001年，刚回国的潘建伟(中)搭建的实验室团队。

在上海量子工程中心，陈宇翱正给学生们讲解。

2001年回国的潘建伟在合肥的中国科学技术大学建起了量子信息实验室。后来，他把团队扩展到了上海——在浦东秀浦路的中国科大上海研究院里，建起了一个与合肥相呼应的科研团队——上海量子工程中心。

走进中心实验室，记者看到的是一张张年轻而淳朴的面孔。然而，他们个个都随潘建伟在量子信息领域摸爬滚打了十多年，这群平均年龄不超过35岁的教授们已各有建树。他们的梦想就是“操纵量子”——要让现在听来玄而又玄的量子，真实进入到每个人的生活中。

“给我一个量子，我要用它改变世界。”

梦想“量子为我所用”

量子，听起来很神秘，但它每天都充斥在我们周围，比如日常生活中的光，就是由大量光量子组成的。量子有着许多奇妙特性，若能掌握这些特性，则有望实现对信息处理能力革命性的突破。

量子世界与我们日常生活的世界最显著的区别就是，多个量子状态可以同时叠加在一起。比如我们在信息处理时用到的比特，只能处于“0”或“1”两种状态之一，而量子信息处理所用到的量子比特，却可以同时处于“0”和“1”的叠加状态。这意味着，用量子比特编码的大量数据可以同时进行计算，这就可以带来强大的量子计算机。

潘建伟举了一个例子：用现在的计算机模拟300个粒子的体系演化规律，所需存储单元的数量，比已知宇宙中所有的原子数目还要多，现在的计算机就hold不住了。而对于量子计算机来说，完成这样的任务就只需要300个量子比特。只要明白这一点，就不难想象到量子计算机将会带来怎样的变革。

潘建伟的梦想就与“量子为我所用”有关。然而，要真正实现有应用价值的量子信息处理，比如造出一台量子计算机，就需要攻克无数难题——

要让量子计算机的“心脏”像传统计算机的CPU那样“奔腾”起来，就必须具备操纵多粒子量子纠缠的能力。一个形象的比喻是，一个多粒子纠缠的实验平台如同驾驭量子计算的航空母舰，倚籍于这个载体才有可能施展拳脚，研究各种量子计算的方案。

多粒子纠缠操纵是世界上竞争最为激烈的领域之一。世界上有许多小组都在竞相研制量子计算机，但他们都碰到同一个难题：用于量子计算的纠缠态十分脆弱，而且随着量子纠缠数目的增加，实验的难度也呈指数增加。

在这点上，潘建伟小组无疑走在世界前沿：

2004年，潘建伟小组在国际上首次成功实现对五光子纠缠的操纵，论文发表在《自然》杂志上，被欧洲物理学会和美国物理学会同时评为“年度物理学重大进展”；

2007年，潘建伟小组率先突破六光子纠缠，论文发表在《自然·物理学》上，为同年发表在该期刊上被引用最多的两篇研究论文之一。在欧洲，一直到2009年，维也纳大学、慕尼黑大学和斯德哥尔摩大学才相继观测到六光子纠缠；

2012年，潘建伟小组又成功制备了八光子量子纠缠态，再次创造了纠缠光子数目的世界纪录，成果发表在《自然》杂志的子刊《自然·光子学》上。这项技术很快得到了应用，他们紧接着利用八光子纠缠在国际上首次实验实现了拓扑量子纠错，证明拓扑编码可以显著减少量子比特错误率，显示了容错量子信息处理的强大能力，成果以长文（Article）的形式发表在《自然》杂志上，是量子信息领域首篇以中国为第一单位发表在该杂志上的长文。这一系列成果表明我国继续领先于美国、德国和奥地利等发达国家，在国际上牢牢地把握了多光子纠缠研究领域的制高点。

“要真正制造出量子计算机，需要实现成千上万个粒子的纠缠。”潘建伟说，实现梦想的前路漫漫，还有数不清的技术难题，乃至理论难题要突破，“技术与理论难题，犹如DNA双螺旋一般，交错而至又盘旋上升，我们的研究也将如此推进。”

　　量子通信“长出小树”

在量子通信研究方向上，潘建伟小组同样也走在了世界前列：

早在2009年，潘建伟小组就成功实现了5节点的星型量子通信网络，这是国际上首个全通型的量子通信网络。该成果当年就构建了“量子通信热线”，被用于国庆60周年阅兵关键节点；

2012年初，涵盖合肥市主要政府部门、金融机构及科研院所的“合肥城域量子通信试验示范网”正式开通，这是国际上首个规模化的城域量子通信网络，标志着量子通信大规模组网技术已经成熟。[!--empirenews.page--]

正是基于成熟的量子通信组网技术，他们又成功在新华社新闻大厦与新华社金融信息交易所之间构建了“金融信息量子通信验证网”，在国际上首次将量子通信网络技术应用于金融信息的安全传输。同年11月，“基于量子通信的高安全通信保障系统”在北京投入运行。

尽管已经有了初步的应用，但是量子通信技术距离真正的大规模应用，甚至走进千家万户，还有很长的路要走。其中一个最重要的难题是，如何扩展量子通信的距离？

量子通信实际上是单光子级别的通信，信号非常微弱又不能被放大。由于光纤的固有损耗，目前光纤量子通信的最远距离不过200公里左右（这也是由潘建伟小组首先实现的）。要达到成千上万公里的距离，只能从地面走向天空：只要光子能够穿透大气层，通过卫星的中转就可以实现远距离的量子通信了。

其实早在2005年，当时地面的光纤量子通信尚在起步之时，潘建伟就在思考自由空间量子通信的问题，并做了一个原理性实验：在合肥的大蜀山，实现了13公里自由空间的量子通信。而整个竖直大气的等效厚度，就相当于地面附近10公里左右的水平距离，这就意味着，光子穿透大气是完全可行的。

这个实验坚定了潘建伟的信心，2008年，潘建伟提出了中国发射量子通信卫星的建议。又经过数年的努力，技术在不断地进步，发射卫星的条件也越来越成熟。2011年12月，中科院启动了量子科学实验卫星战略性先导专项，其中的一个目标就是在国际上率先实现高速的卫星与地面间的量子通信。

当然，要想真正实现星地量子通信，还有很多关键技术需要攻关。为此，潘建伟小组在青海湖畔苦战了三年。他们住宿的帐篷就搭在湖边的一个尼姑庵旁。每到入夜，青海湖畔的他们就忙碌起来。

青海湖的中央有一座海心山，恰好用来向两对岸发送密钥。做实验时，一定得注意灯光不能太亮，否则大如团团鹅绒的野生飞蛾，都会飞扑过来。最危险的要数热气球实验，高原湖边气流变化莫测，有一次热气球刚放飞，就遇上一阵狂风，瞬间将气球吹到离地几百米的高空，又突然险些掉到地面，把所有人都吓出一身冷汗。

2012年，潘建伟小组“实现百公里自用空间量子隐形传态与量子纠缠分发”的实验结果发表在《自然》杂志上；2013年，“首次实现星地量子密钥分发的全方位地面验证”的实验结果发表在《自然·光子学》杂志上。这些实验成果的取得，意味着已经完全可以应对星地间的高损耗通道了。

青海湖实验同时又对一些理论问题进行验证。今年7月，物理领域的顶级学术期刊《物理评论快报》发表了潘建伟小组的另一篇文章，他们在世界上首次实现了无局域性漏洞的量子纠缠关联塌缩的速度下限测量。

潘建伟说，量子通信尽管稚嫩，但从原理上说，已比传统通信的安全系数高出了很多。要达到“量子为我所用”的终极梦想，现在的成绩仿佛刚从地上长出不久的小树，即便无法立刻参天，先期分叉出的枝桠也可先为人类技术进步贡献一片新绿。

　　“量子学家小道”

“我与老师现在相同的研究方向只有25%，25%是相互合作的，完全自己的方向占了50%。”当记者问及潘建伟，他与自己的导师奥地利英斯布鲁克大学的安东·蔡林格教授的研究方向还有多少重合时，他这样回答。

1994年，潘建伟师从安东·蔡林格教授学习量子信息时，中国在该领域还几乎一篇空白。当蔡林格问他将来的打算时，他说：“我要在中国建立一个世界一流的实验室。”

潘建伟的团队现在的平均年龄不超过35岁。再将时钟倒拨回十多年前，他刚回国落脚位于安徽省合肥市的中国科学技术大学，这支队伍更是年轻到不可想象：除了1970年出生的潘建伟满30岁，杨涛、陈增兵、赵志刚博士毕业不久，而彭承志、陈宇翱、张强等个个都是只有20岁出头的小伙子。

“那时有整整一年，我们都睡在实验室里，几乎没日没夜地搭设备。”陈宇翱当初本科还没毕业，就被潘建伟搜罗过来，参与组建量子信息实验室。

当潘建伟找到陈宇翱时，陈宇翱正在迷茫中，曾经得过国际物理奥赛第一的他，对经典物理学正提不起兴趣，而量子力学却令他眼睛一亮，于是就跟定了潘老师。

几乎团队中的每个人，都对量子有说不出的喜欢，“愿者上钩”地来到了这个白手起家的年轻导师门下。

潘老师的严要求绝对出名，没一个学生不怕的。副教授刘乃乐告诉记者，有一次他们要给学术杂志编辑写一封信，阐明论文价值，结果前前后后改了30多遍，潘建伟才满意。潘建伟认为，把事情的关键说清楚是最基本的，“如果连我自己都感动不了，怎么可能感动编辑呢？”

陈宇翱说，如今自己收了学生，才感到这种严格是必须的。“哪怕有一个数据不够好，论文就宁愿不要发表。”他说，做量子研究很多数据需要验证可信度（用几个σ表示），做到1σ只需1个月，但做到2σ就得花4个月，3σ可能得花1年多时间。做学生的总想快点完成，可没有反复的坚持和验证，就可能闹出意大利科学家“超光速”的笑话。“这在我们组里是绝对不可以的。”

潘建伟所欣赏的学生，智力高超并非重点，他更看重心地仁厚、守信负责、淡定豁达。“人心不能太高，因为总有人比你聪明、比你强，如果没有淡定的心态，勤奋专注于自己的领域，就很难成大事。”

有一件事，让潘建伟感到这几个学生就是他心目中的理想人选。2007年的五一节，实验室杨涛教授突发脑溢血，生命垂危。当潘建伟从国外匆匆赶回时，看到病床边，这几个年轻人几乎都在床边陪着，而且个个脸色憔悴——他们已经连轴转地陪护了好几个24小时。

“有这样的心性，一定能在实验中默契配合，相互照应，而量子研究大量依靠实验。”所以，潘建伟愿意在他们身上倾注心血。

在德国海德堡，有一条著名的小路——哲学家小路。据说黑格尔当年就喜欢漫步在这条小路上思考，马克·吐温、歌德、席勒等人，都曾在这条小道上留下足迹。

实验室的几位年轻人都陆续去海德堡大学深造过，一有空闲，潘建伟就和他们在这条人文积淀深厚的小道上天马行空地闲聊，灵感不知不觉中就冒了出来，心灵的交流也使大家的关系更为紧密。[!--empirenews.page--]

这个习惯后来又被带回了上海。从秀浦路的上海基地走回宿舍，大约有十几分钟的路程。那段道路还没什么哲人、诗人经常走过，就被他们戏称为“量子学家小道”。

正因为有了如此紧密的联系，后来这些实验室的干将因学术需要，奔赴世界各地深造，几乎全都回国，创建上海量子工程中心。

　　上海基地“新纪元”

建立上海量子工程中心，被这个团队称为“新纪元”。

“在上海落户对人才更有吸引力。”潘建伟说，这只是原因之一，另一个原因是为了量子科学卫星的研制。在上海，有两个非常重要的合作伙伴：中科院上海技术物理研究所和微小卫星工程中心，“我们在那里的时间甚至比在自己的基地还多”。

潘建伟的合作者、中科院上海技物所研究员王建宇对记者说，为量子通信做卫星上的载荷，是他几十年科研生涯没遇到过的挑战。

星地量子通信，相当于在天地之间一个个地“抓”光子。而要让卫星上搭载仪器所发出的光子正好对准地面上的接收器，其精度要求小于1角秒，比“针尖对麦芒”还要难上千倍。

然而，要完成量子密钥分发，这却是不得不达到的技术要求。彭承志告诉记者，先期实验中，他们在上海的小区租下房子，夜晚打开激光器进行三点通信实验。然而，地面上的仪器可以架设得稳稳当当，可仪器上了卫星，却会随卫星的运行不断摆动。

为了模拟卫星上的环境，他们把载荷放上汽车，让它在高速公路上奔驰，又把载荷放上热气球，看它飘到高空后是否还能完成任务。这些都只能在晚上做，因为实验需要避开日光的干扰。

功夫不负有心人，过去三年多，在大家的通力合作下，他们初步验证了不少星地量子通信的关键技术，并为量子科学卫星准备好了仪器载荷，2016年卫星上天，正在一步步接近。

这将是中国领先欧洲和北美所发射的第一颗量子科学卫星，它将为物理学家提供一个测试量子理论基础以及探索如何融合量子理论与爱因斯坦广义相对论的全新平台。潘建伟也将与恩师安东·蔡林格一起，创建起第一个洲际量子加密网络，通过卫星连接亚洲和欧洲。

量子通信还只是潘建伟小组的研究方向之一。在上海量子工程中心的实验室里，还有更多科研方向在不断推进。除了自由空间实验研究团队，还有量子存储和量子中继团队、冷原子量子模拟团队、多光子纠缠团队、高性能单光子探测团队等等。在合肥，还有几个团队相互配合、推进，共同向着操纵量子的梦想前进。

记者走进单光子探测实验室，见有一套仪器正在搭建，就俯身下来想看个仔细。张强立马阻止道：“小心！弯腰时千万注意，眼睛一定得比那些镜子高，否则万一有激光，眼睛可就废了！”张强正在研制的是一台单光子探测器，为的是能更高效率地探测到纠缠态的光子。

做实验时，可有什么炫目的场景？张强挠挠头，“我们看不见一个个的光子，只能盯着仪器读数，其实挺枯燥，没什么好看的……”。不过，这“没什么好看的”只是对外行人而言，张强做的可是世界最优的上转换单光子探测器。

建立上海基地，潘建伟还有一个考虑，就是优越的产业化条件。他认为，基础研究永远有许多题目需要研究，但如果可以与应用结合、与产业化结合，就更可以看清哪些是当务之急。“其实，用量子手段还可以做很多事情，例如做原子钟、精密测量，甚至可以用来做癌症的早期诊断。”他说，如果可以操纵好量子，将为人类带来更大福祉。

师生曾同获“菲涅尔奖”

8月5日，受习近平同志委托，中共中央政治局常委、中央书记处书记刘云山来到北戴河看望专家。中科大上海研究院量子工程中心教授陈宇翱，是参加本次活动的最年轻的专家。

今年4月，欧洲物理学会正式致函陈宇翱，授予他2013年度“菲涅尔奖”，以表彰他在光子、冷原子量子操纵和量子信息、量子模拟等领域的杰出贡献。这天恰巧是陈宇翱32岁生日，于是“菲涅尔奖”就成了一份最特殊的生日礼物。

欧洲物理学会“菲涅尔奖”是以19世纪最伟大的光学家菲涅尔命名，每两年颁发一次，主要授予在量子电子学和量子光学领域做出杰出贡献的青年科学家。2005年6月，中国科学技术大学教授潘建伟获得该奖，成为获得该奖的第一位中国科学家。2013年4月，年仅32岁的陈宇翱获得该奖，成为获得该奖的第二位中国科学家。他们恰巧是一对师徒。

2001年，正在中科大少年班读大三的陈宇翱经介绍认识了刚刚回国、在学术界颇有名气的潘建伟教授。那一次，他们进行了4小时的长谈，从天文地理到人文历史，从科学研究到人生理想，两人谈得很投机。事先，陈宇翱根本没想到，这次谈话奠定了他今后的量子之路。

此后，他进入了潘建伟正在筹建的实验室，共同经历了从无到有的过程。“量子世界最令人着迷的，就是它的未知性和不确定性，让你有探知的欲望。”这正契合了他喜欢探索的天性。此后，他随着导师，发表了一系列高水平的科研论文，成果一次入选《自然》年度十大科技亮点，两次入选美国、欧洲物理学会年度物理学重大进展，五次入选中国十大科技进展新闻。

潘建伟说起陈宇翱，多了几分作为师长的理性气质，“他的确是个非常出色的年轻科学家，也非常有潜力。所以，我希望媒体不要太早关注他，让他可以潜心学术，获得更大的发展。”

其实，在潘建伟的团队中，有许多非常优秀的年轻人，只是没与“师生菲涅尔奖”这样吸引眼球的故事搭上边。

例如，今年37岁的研究员彭承志，在国际上首次实现了16公里自由空间量子态隐形传输，该成果以封面文章的形式发表在《自然·光子学》上。论文发表后，引起了社会极大关注，美国《时代周刊》更以“中国的巨大（量子）飞跃”为题进行了专题报道。

除此之外，作为第一作者或通信作者，彭承志在实用化诱骗态量子密钥分发研究方向上取得了一系列重要研究成果，其中与同事共同完成的光量子电话成果被应用于国庆60周年阅兵的安全保障工作。他也因在远距离自由空间量子通信研究方面做出的系统性工作，推动了量子通信向实用化方向发展而获得陈嘉庚青年科学奖数理科学奖。[!--empirenews.page--]

目前，在潘建伟团队的研究骨干中，有1人入选中组部首批“千人计划”、3人获国家杰出青年基金、4人入选首批“青年千人计划”、9人入选中科院“百人计划”、2人入选教育部“长江学者”。

曾有一位智者说过，如果你想走得快，那就一个人走；如果你想走得远，就得和大家一起走。希望这个年轻的量子团队不断壮大，不断前行。希望有一天，当我们打开漂亮崭新的量子计算机时，会发现上面有一个写着“中国创造”的标签。