潘建偉團隊：做世界“最牛”的量子研究

  近日，光量子計算和大尺度光量子信息處理兩項成果雙雙入選中國科學院“率先行動”計劃第一階段59項重大科技成果及標志性進展。

8月16日，世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”迎來4歲生日。在距離地球500公里的軌道上，這顆超期服役2年的“老”衛星仍然捷報頻傳。

6月15日，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉領銜的合作團隊在《自然》發表論文，在國際上首次實現了基于糾纏的無中繼千公里級量子保密通信。這也是“墨子號”4年間產生的第5篇《自然》《科學》論文。

隨著一項項科學實驗的成功，衛星量子通信的應用前景日益清晰。

戰略布局占先機

7月23日，美國能源部公布報告，規劃了美國“量子互聯網”戰略藍圖。歐盟早在2016年也提出過“歐洲量子技術旗艦計劃”，打算用10年建成量子互聯網。

可喜的是，我國在這一領域，相關基礎研究和工程技術水平都處于國際引領地位。

今年3月，我國科學家剛剛創造了光纖量子通信509公里的新紀錄。同時，“墨子號”保持著星地之間1200公里量子通信的世界紀錄。“墨子號”和“京滬干線”的成功實施，構建了國際首個天地一體的廣域量子通信網絡雛形。

之所以能“起個大早、趕個早集”，得益于潘建偉的戰略眼光與布局。

量子科技研究主要集中在量子通信、量子計算和量子精密測量等領域，有多光子糾纏、光量子計算、超冷原子量子模擬、光晶格量子模擬、量子中繼器等諸多方向。這么多學科方向，一個人不可能包打天下。從單槍匹馬到帶領一支近百人的團隊，潘建偉用了10多年時間。

本世紀初，量子科技在中國還頗為冷門。潘建偉也面臨著學科方向不被理解、申請經費四處碰壁的困境。在人手緊缺的情況下，他卻果斷地把優秀學生紛紛送走。德國海德堡大學、奧地利因斯布魯克大學、美國斯坦福大學、英國劍橋大學、瑞士日內瓦大學……這些量子科學和技術頂尖團隊所在地，都留下了潘建偉弟子學習的身影。如今，各研究室獨當一面的負責人正是當年那些漂流四海的年輕人。

“墨子號”量子糾纏源分系統主任設計師印娟的成長路線卻略有不同。2002年，大二結束的暑假，印娟來到潘建偉實驗室，成為實驗室第一位女生，從此再沒有離開。2017年，“墨子號”千公里級星地雙向量子糾纏分發實驗成功，以封面論文的形式發表在《科學》，印娟成為團隊里第一個同時擁有《自然》和《科學》第一作者身份的科學家。

善于布局，也安心等待。這樣的一支團隊，一出手就是“大”成果不足為奇。

敢想敢干出奇跡

“墨子號”科學應用系統主任設計師任繼剛，至今仍清楚地記得讀博時第一次聽潘建偉作報告的情景。“太神奇了，就像聽一個科幻故事。”他回憶說。

在場的很多人可能也跟任繼剛一樣，把量子科技當成科幻故事。而作報告的那個人卻是認真的。

2003年，潘建偉陷入量子通信研究瓶頸。由于光子在光纖傳輸時損耗太大，傳輸100公里只剩下1%的信號到達接收端。而外太空因為幾乎真空，光信號損耗非常小，潘建偉破天荒地提出了“上天”這個“大膽且瘋狂”的方案。

當時，他向博士生彭承志科普量子通信的發展前景，當說到需要通過太空實現長距離傳輸時，彭承志認為“這是一個遙不可及的夢想”。他問潘建偉：“這個事，是不是挺牛的？”潘建偉想了想，很肯定地回答：“肯定牛，是世界上最牛的，至少是之一。”

帶著這樣的信念，他們在合肥大蜀山山頂開始了第一個實驗，于2005年實現了13公里的量子糾纏分發。這個傳輸距離超過了大氣層的等效厚度，從而證實了遠距離自由空間量子通信的可行性。

2009年，團隊在青海湖開展百公里量子糾纏分發實驗。當時，團隊里的3位主力——2007年博士畢業的任繼剛、2009年博士畢業的印娟、2010年將要博士畢業的廖勝凱，后來分別成為“墨子號”3個分系統主任設計師。

島上通信信號極差，幾位年輕人沒什么消遣，晚上做實驗，白天借著搭建的無線網橋開例會。2012年，團隊在國際上首次實現百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發。

2017年，利用“墨子號”，他們將量子糾纏分發的距離再提高一個量級，達到1200公里。

從大蜀山的13公里到天地間的上千公里，潘建偉團隊一步一個腳印，從無到有地驗證了量子通信的可行性。

“率先行動”很給力

中國科學院院士、科技部原部長徐冠華曾公開指出，我國對自身科學研究能力不自信，“在科技項目的確定過程中，習慣于拒絕支持有爭議的項目，排斥沒有國外先例的研究”。

當年的潘建偉，面對的就是這樣的窘境。

2003年，潘建偉首次提出利用衛星實現自由空間量子通信的構想。這個“前無古人、聞所未聞”的想法立即遭到多方質疑：量子信息科學，歐洲美國都剛剛起步，我們為什么現在要做？

這個“不靠譜”的計劃卻獲得了中國科學院的支持。2011年底，中國科學院空間科學先導專項正式立項“量子科學實驗衛星”，自此打開了量子世界的大門。

2014年，中國科學院啟動實施“率先行動”計劃，給“墨子號”研制團隊帶來了“集團軍”的支持。當年10月，中國科學院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心率先成立，2017年5月更名為量子信息與量子科技創新研究院。這使得中國科學技術大學同中國科學院上海技術物理研究所、微小衛星創新研究院、光電技術研究所等都有了更加緊密的合作關系。

中國科學院上海技術物理研究所研究員、量子科學實驗衛星工程常務副總師王建宇曾比喻稱：星地間量子糾纏分發的難度，就像在太空中往地面的一個存錢罐里扔硬幣，而且天空中的“投擲者”相對地面上的“存錢罐”還在高速運動。

在“率先行動”計劃的支持下，這樣一項看似“不可能的任務”最終順利完成。“我們的合作體現出了創新研究院的價值，那就是集中力量干大事。”潘建偉說。

中國科學院院長、黨組書記白春禮評價稱，“墨子號”為中國在國際上搶占了量子科技創新制高點，成為了國際同行的標桿，實現了“領跑者”的轉變。