“70后”院士潘建伟：“纠缠”于量子通信梦

吕斌

在2016年1月8日举行的全国科学技术奖励大会上，1970年出生的中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟作为唯一获奖代表发言。由他领衔的“多光子纠缠及干涉度量”项目获得2015年度国家自然科学奖一等奖，在过去十几年中，该奖项曾出现9次空缺；他同时也是1999年至今自然科学奖最年轻的第一完成人。

潘建伟团队一直活跃在国际物理学前沿。如今，他带领平均年龄三十六七岁的年轻团队在世界量子研究领域占据一席之地。他们的研究成果1次入选《自然》评选的“年度十大科技亮点”，3次入选英国物理学会评选的“年度物理学重大进展”，3次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”，这在中国科学界十分少见。

探寻多粒子纠缠奥秘

潘建伟个头不高，思索时极其严肃，笑起来却像个天真烂漫的少年。每当向人谈起科学，他的眼里总是闪烁着光芒。

“在微观世界里，所有的东西都是颗粒化的。灯光也不例外，也是由一颗颗极小的光子组成。多个光子之间通过一种相互作用就会形成多光子纠缠，对多光子纠缠进行操作就叫做多光子纠缠干涉度量学。”

量子世界充满着奇妙现象，其中一个就是量子纠缠。潘建伟拿骰子作比：“如果两个骰子处于纠缠态，扔的时候，会各自随机得到一个结果，但无论相距多远，两边的结果都将是完全一样的。光子也一样，就像是双胞胎之间的心灵感应，无论相距多远，纠缠在一起的光子的状态总是完全相同的。”

量子概念出现100多年间，经普朗克、爱因斯坦、玻尔等科学家的不懈努力，建立起了量子力学理论的基础。1935年，爱因斯坦等科学家指出，量子纠缠所体现的量子力学非定域性与作为经典物理学基本观念的定域实在论之间，存在着根本矛盾：定域实在论告诉我们，处于类空间隔的两个事件相互不会产生任何影响；然而量子力学非定域性预言，处于量子纠缠的两个粒子，无论相距多么遥远，对其中一个粒子的测量会瞬间改变另外一个粒子的量子状态。爱因斯坦把这一现象称为“遥远地点之间的诡异互动”。

这种“诡异互动”到底是否存在，一直停留在思维辩论的阶段。直到1964年，Bell指出，在两粒子纠缠中，对于某一类随机事件发生的概率，量子力学与定域实在论给出不同的预言，因而通过Bell不等式可以从统计意义上对量子力学非定域性进行实验验证。

随着人类对量子力学非定域性的深入研究和量子调控技术的巨大进步，量子物理原理在信息科学中的革命性应用开拓了与经典方式具有本质区别的全新的信息处理和通信方式，催生了量子信息科学这一新学科。潘建伟介绍说：“通过对光子、原子等微观粒子进行精确的人工操纵，量子力学原理提供了一种全新的方式对信息进行编码、存储、传输和调制，在提高運算速度、确保信息安全和提升测量精度等方面能够突破经典信息技术的瓶颈。”

其中，多粒子纠缠具有深刻的物理内涵和巨大的应用价值。一方面，Bell不等式仅从统计意义上揭示了量子非定域性。1989年，Greenberger、Horne和Zeilinger提出GHZ定理：对于某些多粒子纠缠体系的某类事件，量子力学预言它必然发生，而定域实在论预言它必然不发生。利用多粒子纠缠，能够以确定性的方式揭示出量子的非定域性。另一方面，量子信息处理能力随纠缠粒子数的增加呈指数增长趋势，多粒子纠缠是量子信息处理的核心资源。而这一切的实现有赖于纠缠粒子数目的不断增加。

然而，多粒子纠缠操纵存在巨大的实验挑战。2003年之前国际上基本处于对单量子粒子体系和两粒子纠缠的研究水平，多粒子纠缠的实验制备和操纵几乎为空白。

2003年，潘建伟团队在国际上首次实现了多体纠缠性质被严格验证的四光子纠缠态，并通过验证GHZ定理以最强烈的方式揭示出量子力学与定域实在论之间的矛盾。此后，他们一直在多光子纠缠操纵实验研究上处于国际领先地位，先后在国际上首次实现了五光子（2004年）、六光子（2007年）、八光子（2012年）纠缠，一直保持着纠缠光子数目的世界纪录。

从跟随到引领

1996年，硕士毕业的潘建伟来到量子力学的发源地———奥地利，师从世界量子物理实验研究大师、因斯布鲁克大学Zeilinger教授。

“他刚来时对实验工作一无所知，但是他很快就掌握了实验规则，并开始设计自己的实验。”在《自然》杂志的采访中，Zeilinger教授说道。

回想起这段国外求学经历，潘建伟始终难忘一次“过时”的发现。“1996年，我对两个粒子进行处理的时候，发现一个粒子的状态跑到另一个很远的粒子上面去了，我当时以为有了重大发现。其实早在1993年，别的科学家就提出过这个方案，这就是量子隐形传态的方案。尽管如此，我仍感觉像是再发现一样，觉得特别有意思。”

同样为此感到兴奋的，还有Zeilinger教授。他看到了这个中国男孩的科研潜力，同意他加入这个实验。

就这样，潘建伟的科研之路逐渐步入正轨。

1997年，Zeilinger教授带领团队首次在实验中实现了单光子单一自由度的量子隐形传态，并发表在《自然》杂志上，潘建伟是第二作者。该研究成果后来同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起被选入《自然》杂志“百年物理学21篇经典论文”。

7年之后的2004年，潘建伟率领团队首次实现了终端开放的、多接收用户的量子隐形传态。这一成果入选当年英国物理学会和美国物理学会的“年度国际物理学重大进展”，这是中国科学家第一次入选。

从2004年起，潘建伟团队不断取得重大突破。2006年，他们实现了多个粒子状态的量子隐形传态。2015年，潘建伟和他的学生陆朝阳一起首次实现了单光子多自由度的量子隐形传态。这项研究成果入选2015年度英国物理学会评选的国际物理学领域的十项重大突破并名列榜首。

“1997年，我们只能传送一个粒子的状态。2004年，我们可以将粒子的状态传送到计算网络里任何一个终端。随后逐渐可以传送许多粒子的状态，传送的状态也变得越来越复杂。”

针对潘建伟团队2015年取得的重大突破，英国物理学会《物理世界》指出，自1997年以来，原子自旋、相干光场以及其他实体等所有单个量子态也相继被传送，但是所有这些实验都局限于传送单一属性，将传送的属性扩展至哪怕两个属性，都被认为是创举。

“从基础研究的观点来看，我们首次证明了一个粒子所有的性质在原理上都可以通过量子纠缠传到很远的地方。对量子隐形传输来说，真正要传输一个微观粒子的状态，需要把一个微观粒子所有的性质都传过去。”潘建伟告诉笔者。

量子隐形传输有点像神话故事里孙悟空的“筋斗云”。利用量子纠缠，可以把一个物体通过某种适当的操作从一個地方传到遥远的地方，传输的速度是光速！

“当然，利用量子隐形传输传送物体和人还不行，但是可以用来做量子通信和量子计算。量子通信可以实现原理上是无条件安全的信息传输。量子计算则具有强大的并行计算和模拟能力，随着量子纠缠数目的增多，它的计算能力将远远超过天河二号。”

英国《新科学家》杂志在“中国崛起”特刊中指出，“潘和他的同事使得中国科学技术大学———也是整个中国，牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地”；英国《自然》杂志在新闻特稿《量子太空竞赛》中指出：“这标志着中国在量子通信领域的崛起，从十年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅，将领先于欧洲和北美……”

科技回报社会

尽管当初在国外发展得很好，潘建伟还是于2001年回到国内组建实验室。“我们搞高科技的人有一个责任，要让我国科技从跟踪、模仿变成引领。同时让广大人民享受到科技红利。”潘建伟说。

随着信息技术的不断发展，计算能力的提高，传统上认为很难破解的加密方法逐渐被一一破解，网络犯罪每年给全球带来数千亿美元的经济损失。潘建伟告诉笔者，量子通信可以从根本上解决国防、金融、政务、能源、商业等领域的信息安全问题。它克服了经典加密技术内在的安全隐患，是迄今唯一被严格证明是无条件安全的通信方式。

量子通信具有如此强大的功能，主要依靠量子密钥分发。量子密钥分发虽然在理论上具有无条件安全性，但原始方案要求使用理想的单光子源和单光子探测器，而这在现实条件下很难实现，导致现实的量子密钥分发系统可能存在各种安全隐患。

2007年，潘建伟团队利用诱骗态方法，克服了现实条件下光源不完美带来的安全隐患，在国际上首次实现了安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发，从而打开了量子通信技术实用化的大门。

“光源问题解决之后，大家以为很安全了。但是到了2010年，发现理论的安全性跟实际的安全性仍有差距，发射端是安全的，但是接受端有一个强光攻击，窃听者可以通过强的信号让你的探测器在其希望给出信号的时候才给出信号。所以只能看到窃听者想让我们看见的东西，这样一来窃听者就完全掌握我们的密钥了。2012年，我们解决了探测器的漏洞。”

然而他们并不满足于此。“这个技术在光纤通道中只适用于城域网，覆盖范围很小。随后我们开展了一些新的工作，比如说在可信中继的帮助下，保证每个节点都安全的情况下，构建大尺度的通信骨干网工程。最终目的是构建一个广域量子通信网络。”

目前，以潘建伟团队为主要建设单位的远距离量子通信骨干网“京沪干线”项目正在建设之中，它将建设连接北京、上海，贯穿济南、合肥等地的千公里级高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，于2016年下半年建成。

与此同时，中科院量子科学实验卫星也将在2016年下半年发射，将在国际上率先实现高速的星地量子通信并连接地面光纤量子通信网络，初步构建中国的广域量子通信体系。

量子在通信方面展现了广阔的应用前景，如果将它运用于计算机，会发生怎样的变革呢？潘建伟告诉笔者，因为量子比特可以同时处于0和1的叠加状态，这意味着量子计算机能同时尝试所有可能的解，以远超传统计算机的速度进行复杂的计算。

“在量子计算方面，我们希望通过3到5年的努力能够达到25个左右粒子的光子纠缠，这个时候它在某些问题上的计算能力，比如在波色取样方面和目前商用CPU的速度一样。通过10年左右的努力，我们希望实现50个甚至100个粒子的纠缠，这个时候我们的计算能力就能够大大超过天河二号。”

然而，随着量子纠缠数目的增加，实验的难度也逐渐增大。量子计算的最大挑战是克服各种环境噪声和比特错误，实现可容错的普适量子纠错。以往的量子纠错要求量子比特的错误率小于10-5，已远远超过现有技术水平。

2012年，潘建伟团队利用八光子纠缠首次实现了拓扑量子纠错，将错误率的要求大大放松到10-2，使有效量子计算成为现实可能。该研究成果以“长文”（article）的形式发表在Nature纪念图灵诞辰100周年的特刊上。

潘建伟希望，在他的有生之年，可以看到一种以量子计算为终端、用量子通信做安全保障的互联网诞生。“科学研究不仅要仰望星空，也要脚踏实地。我们不能再像以前那样，用一火车的东西去换人家一皮包的芯片。我们不仅要关注原始创新，也要鼓励成果转化，为国计民生做些事情，让普通老百姓享受科技带来的利益。我们的团队正在朝着这个方向努力。”

打造“百年老店”

建造世界一流的量子实验室，潘建伟已经梦想成真。如今，他所思考的是如何保证这个实验室成为“百年老店”。

“要成为‘百年老店，只做一个方向是不行的。所以这也是为什么我们把冷原子做起来了。同时一定要和别人不停地沟通和交流，源源不断地把好的知识带回来，这条路我们是走出来了。”

20年前，潘建伟出国留学的经历，使他收获颇多。“出去之后确实学到了很多国际上最前沿的东西，同时也得到了大师的指导。大师会告诉你，这里有果子，如果你有能力的话就能够摘到。当你真的摘到果子后，自信心也出来了。你会发现原来你的能力和大师是完全可以比肩的。”

2001年，潘建伟回国筹建实验室。他告诉笔者：“当时国内对量子信息的认识不足，有人甚至说这是伪科学。相比认知上的困难，人才缺乏的问题更加突出。量子研究需要多方面人才，一个人建不起一个实验室。”

那时，他开始在中科大物色学生。彭承志、陈宇翱、陆朝阳等一批非常优秀的年轻人相继加入他的实验室。他心里明白，实验室建设需要多学科人才，而学习国外顶尖实验室的先进技术，是快速提升实验室实力的最好办法。

因此，潘建伟在国内发展多光子纠缠操纵的同时，以玛丽·居里讲席教授的身份在德国海德堡大学开展合作研究，同时将学生分别送往奥地利因斯布鲁克大学、英国剑桥大学、德国马普量子光学所、瑞士日内瓦大学、美国斯坦福大学……就像一道鲜美可口的菜肴需要不同的原料掺杂在一起，发生奇妙的化学反应一样，他就是那个掌厨人。

2008年，在完成了充分的技术积累和人才储备后，潘建伟放弃了海德堡大学的职位，将在海德堡大学的实验装置陆续搬迁回中科大，同时将一批优秀的年轻人才陆续从世界各地引回到中科大，组成了一批以优秀青年人才为主、优势互补的研究团队，并逐渐建立起具有国际先进水平的实验研究平台。近年随着中国量子物理研究的声名鹊起，一些外籍专家和学生也陆续加入他们的团队。据了解，潘建伟团队中已有2位外籍教授、6名外籍留学生。

就量子信息科学来说，他们正围绕着3个问题开展实验研究：如何让量子的相干性保持时间更长一些，让纠缠粒子的数目越来越多以及让控制和制备的效率越来越高。“我们与国际上的大方向是一致的，就看谁跑得快。从整体上来说，我们是领先的。”潘建伟自豪地告诉笔者。（责编 孙礼勇）