21ic通信網訊，處于糾纏態(tài)的量子之間，會有神奇的“心靈感應”：它們即使隔著一整個太陽系，改變其中一個的狀態(tài)，另一個也會隨之改變。它們之間的感應速度究竟有多快？70余年來，物理學家一直在尋求準確、完美的答案。

7月底，中國科學技術大學潘建偉院士領銜的自由空間量子通信團隊給出了一個迄今為止相對最完善的答案：在所有相對地球以千分之一光速或更低速度運行慣性參照系中，至少為光速的一萬倍。這個刊發(fā)在國際著名學術期刊《物理評論快報》上的漂亮結果，在國際量子物理學界再次引起強烈反響。

其實，潘建偉的團隊在量子領域已奮斗了十幾年。2007年11月，英國著名科普雜志《新科學家》在“中國崛起”一文中這樣寫道：“潘建偉和他的同事使中國科大乃至整個中國在量子計算機的世界地圖上穩(wěn)穩(wěn)地占有了一席之地。”

潘建偉與他的團隊在青海湖做量子實驗時發(fā)射出的光量子。

2001年，剛回國的潘建偉(中)搭建的實驗室團隊。

在上海量子工程中心，陳宇翱正給學生們講解。

2001年回國的潘建偉在合肥的中國科學技術大學建起了量子信息實驗室。后來，他把團隊擴展到了上海——在浦東秀浦路的中國科大上海研究院里，建起了一個與合肥相呼應的科研團隊——上海量子工程中心。

走進中心實驗室，記者看到的是一張張年輕而淳樸的面孔。然而，他們個個都隨潘建偉在量子信息領域摸爬滾打了十多年，這群平均年齡不超過35歲的教授們已各有建樹。他們的夢想就是“操縱量子”——要讓現在聽來玄而又玄的量子，真實進入到每個人的生活中。

“給我一個量子，我要用它改變世界。”

夢想“量子為我所用”

量子，聽起來很神秘，但它每天都充斥在我們周圍，比如日常生活中的光，就是由大量光量子組成的。量子有著許多奇妙特性，若能掌握這些特性，則有望實現對信息處理能力革命性的突破。

量子世界與我們日常生活的世界最顯著的區(qū)別就是，多個量子狀態(tài)可以同時疊加在一起。比如我們在信息處理時用到的比特，只能處于“0”或“1”兩種狀態(tài)之一，而量子信息處理所用到的量子比特，卻可以同時處于“0”和“1”的疊加狀態(tài)。這意味著，用量子比特編碼的大量數據可以同時進行計算，這就可以帶來強大的量子計算機。

潘建偉舉了一個例子：用現在的計算機模擬300個粒子的體系演化規(guī)律，所需存儲單元的數量，比已知宇宙中所有的原子數目還要多，現在的計算機就hold不住了。而對于量子計算機來說，完成這樣的任務就只需要300個量子比特。只要明白這一點，就不難想象到量子計算機將會帶來怎樣的變革。

潘建偉的夢想就與“量子為我所用”有關。然而，要真正實現有應用價值的量子信息處理，比如造出一臺量子計算機，就需要攻克無數難題——

要讓量子計算機的“心臟”像傳統(tǒng)計算機的CPU那樣“奔騰”起來，就必須具備操縱多粒子量子糾纏的能力。一個形象的比喻是，一個多粒子糾纏的實驗平臺如同駕馭量子計算的航空母艦，倚籍于這個載體才有可能施展拳腳，研究各種量子計算的方案。

多粒子糾纏操縱是世界上競爭最為激烈的領域之一。世界上有許多小組都在競相研制量子計算機，但他們都碰到同一個難題：用于量子計算的糾纏態(tài)十分脆弱，而且隨著量子糾纏數目的增加，實驗的難度也呈指數增加。

在這點上，潘建偉小組無疑走在世界前沿：

2004年，潘建偉小組在國際上首次成功實現對五光子糾纏的操縱，論文發(fā)表在《自然》雜志上，被歐洲物理學會和美國物理學會同時評為“年度物理學重大進展”；

2007年，潘建偉小組率先突破六光子糾纏，論文發(fā)表在《自然·物理學》上，為同年發(fā)表在該期刊上被引用最多的兩篇研究論文之一。在歐洲，一直到2009年，維也納大學、慕尼黑大學和斯德哥爾摩大學才相繼觀測到六光子糾纏；

2012年，潘建偉小組又成功制備了八光子量子糾纏態(tài)，再次創(chuàng)造了糾纏光子數目的世界紀錄，成果發(fā)表在《自然》雜志的子刊《自然·光子學》上。這項技術很快得到了應用，他們緊接著利用八光子糾纏在國際上首次實驗實現了拓撲量子糾錯，證明拓撲編碼可以顯著減少量子比特錯誤率，顯示了容錯量子信息處理的強大能力，成果以長文（Article）的形式發(fā)表在《自然》雜志上，是量子信息領域首篇以中國為第一單位發(fā)表在該雜志上的長文。這一系列成果表明我國繼續(xù)領先于美國、德國和奧地利等發(fā)達國家，在國際上牢牢地把握了多光子糾纏研究領域的制高點。

“要真正制造出量子計算機，需要實現成千上萬個粒子的糾纏。”潘建偉說，實現夢想的前路漫漫，還有數不清的技術難題，乃至理論難題要突破，“技術與理論難題，猶如DNA雙螺旋一般，交錯而至又盤旋上升，我們的研究也將如此推進。”

　　量子通信“長出小樹”

在量子通信研究方向上，潘建偉小組同樣也走在了世界前列：

早在2009年，潘建偉小組就成功實現了5節(jié)點的星型量子通信網絡，這是國際上首個全通型的量子通信網絡。該成果當年就構建了“量子通信熱線”，被用于國慶60周年閱兵關鍵節(jié)點；

2012年初，涵蓋合肥市主要政府部門、金融機構及科研院所的“合肥城域量子通信試驗示范網”正式開通，這是國際上首個規(guī)?；某怯蛄孔油ㄐ啪W絡，標志著量子通信大規(guī)模組網技術已經成熟。[!--empirenews.page--]

正是基于成熟的量子通信組網技術，他們又成功在新華社新聞大廈與新華社金融信息交易所之間構建了“金融信息量子通信驗證網”，在國際上首次將量子通信網絡技術應用于金融信息的安全傳輸。同年11月，“基于量子通信的高安全通信保障系統(tǒng)”在北京投入運行。

盡管已經有了初步的應用，但是量子通信技術距離真正的大規(guī)模應用，甚至走進千家萬戶，還有很長的路要走。其中一個最重要的難題是，如何擴展量子通信的距離？

量子通信實際上是單光子級別的通信，信號非常微弱又不能被放大。由于光纖的固有損耗，目前光纖量子通信的最遠距離不過200公里左右（這也是由潘建偉小組首先實現的）。要達到成千上萬公里的距離，只能從地面走向天空：只要光子能夠穿透大氣層，通過衛(wèi)星的中轉就可以實現遠距離的量子通信了。

其實早在2005年，當時地面的光纖量子通信尚在起步之時，潘建偉就在思考自由空間量子通信的問題，并做了一個原理性實驗：在合肥的大蜀山，實現了13公里自由空間的量子通信。而整個豎直大氣的等效厚度，就相當于地面附近10公里左右的水平距離，這就意味著，光子穿透大氣是完全可行的。

這個實驗堅定了潘建偉的信心，2008年，潘建偉提出了中國發(fā)射量子通信衛(wèi)星的建議。又經過數年的努力，技術在不斷地進步，發(fā)射衛(wèi)星的條件也越來越成熟。2011年12月，中科院啟動了量子科學實驗衛(wèi)星戰(zhàn)略性先導專項，其中的一個目標就是在國際上率先實現高速的衛(wèi)星與地面間的量子通信。

當然，要想真正實現星地量子通信，還有很多關鍵技術需要攻關。為此，潘建偉小組在青海湖畔苦戰(zhàn)了三年。他們住宿的帳篷就搭在湖邊的一個尼姑庵旁。每到入夜，青海湖畔的他們就忙碌起來。

青海湖的中央有一座海心山，恰好用來向兩對岸發(fā)送密鑰。做實驗時，一定得注意燈光不能太亮，否則大如團團鵝絨的野生飛蛾，都會飛撲過來。最危險的要數熱氣球實驗，高原湖邊氣流變化莫測，有一次熱氣球剛放飛，就遇上一陣狂風，瞬間將氣球吹到離地幾百米的高空，又突然險些掉到地面，把所有人都嚇出一身冷汗。

2012年，潘建偉小組“實現百公里自用空間量子隱形傳態(tài)與量子糾纏分發(fā)”的實驗結果發(fā)表在《自然》雜志上；2013年，“首次實現星地量子密鑰分發(fā)的全方位地面驗證”的實驗結果發(fā)表在《自然·光子學》雜志上。這些實驗成果的取得，意味著已經完全可以應對星地間的高損耗通道了。

青海湖實驗同時又對一些理論問題進行驗證。今年7月，物理領域的頂級學術期刊《物理評論快報》發(fā)表了潘建偉小組的另一篇文章，他們在世界上首次實現了無局域性漏洞的量子糾纏關聯塌縮的速度下限測量。

潘建偉說，量子通信盡管稚嫩，但從原理上說，已比傳統(tǒng)通信的安全系數高出了很多。要達到“量子為我所用”的終極夢想，現在的成績仿佛剛從地上長出不久的小樹，即便無法立刻參天，先期分叉出的枝椏也可先為人類技術進步貢獻一片新綠。

　　“量子學家小道”

“我與老師現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%。”當記者問及潘建偉，他與自己的導師奧地利英斯布魯克大學的安東·蔡林格教授的研究方向還有多少重合時，他這樣回答。

1994年，潘建偉師從安東·蔡林格教授學習量子信息時，中國在該領域還幾乎一篇空白。當蔡林格問他將來的打算時，他說：“我要在中國建立一個世界一流的實驗室。”

潘建偉的團隊現在的平均年齡不超過35歲。再將時鐘倒撥回十多年前，他剛回國落腳位于安徽省合肥市的中國科學技術大學，這支隊伍更是年輕到不可想象：除了1970年出生的潘建偉滿30歲，楊濤、陳增兵、趙志剛博士畢業(yè)不久，而彭承志、陳宇翱、張強等個個都是只有20歲出頭的小伙子。

“那時有整整一年，我們都睡在實驗室里，幾乎沒日沒夜地搭設備。”陳宇翱當初本科還沒畢業(yè)，就被潘建偉搜羅過來，參與組建量子信息實驗室。

當潘建偉找到陳宇翱時，陳宇翱正在迷茫中，曾經得過國際物理奧賽第一的他，對經典物理學正提不起興趣，而量子力學卻令他眼睛一亮，于是就跟定了潘老師。

幾乎團隊中的每個人，都對量子有說不出的喜歡，“愿者上鉤”地來到了這個白手起家的年輕導師門下。

潘老師的嚴要求絕對出名，沒一個學生不怕的。副教授劉乃樂告訴記者，有一次他們要給學術雜志編輯寫一封信，闡明論文價值，結果前前后后改了30多遍，潘建偉才滿意。潘建偉認為，把事情的關鍵說清楚是最基本的，“如果連我自己都感動不了，怎么可能感動編輯呢？”

陳宇翱說，如今自己收了學生，才感到這種嚴格是必須的。“哪怕有一個數據不夠好，論文就寧愿不要發(fā)表。”他說，做量子研究很多數據需要驗證可信度（用幾個σ表示），做到1σ只需1個月，但做到2σ就得花4個月，3σ可能得花1年多時間。做學生的總想快點完成，可沒有反復的堅持和驗證，就可能鬧出意大利科學家“超光速”的笑話。“這在我們組里是絕對不可以的。”

潘建偉所欣賞的學生，智力高超并非重點，他更看重心地仁厚、守信負責、淡定豁達。“人心不能太高，因為總有人比你聰明、比你強，如果沒有淡定的心態(tài)，勤奮專注于自己的領域，就很難成大事。”

有一件事，讓潘建偉感到這幾個學生就是他心目中的理想人選。2007年的五一節(jié)，實驗室楊濤教授突發(fā)腦溢血，生命垂危。當潘建偉從國外匆匆趕回時，看到病床邊，這幾個年輕人幾乎都在床邊陪著，而且個個臉色憔悴——他們已經連軸轉地陪護了好幾個24小時。

“有這樣的心性，一定能在實驗中默契配合，相互照應，而量子研究大量依靠實驗。”所以，潘建偉愿意在他們身上傾注心血。

在德國海德堡，有一條著名的小路——哲學家小路。據說黑格爾當年就喜歡漫步在這條小路上思考，馬克·吐溫、歌德、席勒等人，都曾在這條小道上留下足跡。

實驗室的幾位年輕人都陸續(xù)去海德堡大學深造過，一有空閑，潘建偉就和他們在這條人文積淀深厚的小道上天馬行空地閑聊，靈感不知不覺中就冒了出來，心靈的交流也使大家的關系更為緊密。[!--empirenews.page--]

這個習慣后來又被帶回了上海。從秀浦路的上海基地走回宿舍，大約有十幾分鐘的路程。那段道路還沒什么哲人、詩人經常走過，就被他們戲稱為“量子學家小道”。

正因為有了如此緊密的聯系，后來這些實驗室的干將因學術需要，奔赴世界各地深造，幾乎全都回國，創(chuàng)建上海量子工程中心。

　　上海基地“新紀元”

建立上海量子工程中心，被這個團隊稱為“新紀元”。

“在上海落戶對人才更有吸引力。”潘建偉說，這只是原因之一，另一個原因是為了量子科學衛(wèi)星的研制。在上海，有兩個非常重要的合作伙伴：中科院上海技術物理研究所和微小衛(wèi)星工程中心，“我們在那里的時間甚至比在自己的基地還多”。

潘建偉的合作者、中科院上海技物所研究員王建宇對記者說，為量子通信做衛(wèi)星上的載荷，是他幾十年科研生涯沒遇到過的挑戰(zhàn)。

星地量子通信，相當于在天地之間一個個地“抓”光子。而要讓衛(wèi)星上搭載儀器所發(fā)出的光子正好對準地面上的接收器，其精度要求小于1角秒，比“針尖對麥芒”還要難上千倍。

然而，要完成量子密鑰分發(fā)，這卻是不得不達到的技術要求。彭承志告訴記者，先期實驗中，他們在上海的小區(qū)租下房子，夜晚打開激光器進行三點通信實驗。然而，地面上的儀器可以架設得穩(wěn)穩(wěn)當當，可儀器上了衛(wèi)星，卻會隨衛(wèi)星的運行不斷擺動。

為了模擬衛(wèi)星上的環(huán)境，他們把載荷放上汽車，讓它在高速公路上奔馳，又把載荷放上熱氣球，看它飄到高空后是否還能完成任務。這些都只能在晚上做，因為實驗需要避開日光的干擾。

功夫不負有心人，過去三年多，在大家的通力合作下，他們初步驗證了不少星地量子通信的關鍵技術，并為量子科學衛(wèi)星準備好了儀器載荷，2016年衛(wèi)星上天，正在一步步接近。

這將是中國領先歐洲和北美所發(fā)射的第一顆量子科學衛(wèi)星，它將為物理學家提供一個測試量子理論基礎以及探索如何融合量子理論與愛因斯坦廣義相對論的全新平臺。潘建偉也將與恩師安東·蔡林格一起，創(chuàng)建起第一個洲際量子加密網絡，通過衛(wèi)星連接亞洲和歐洲。

量子通信還只是潘建偉小組的研究方向之一。在上海量子工程中心的實驗室里，還有更多科研方向在不斷推進。除了自由空間實驗研究團隊，還有量子存儲和量子中繼團隊、冷原子量子模擬團隊、多光子糾纏團隊、高性能單光子探測團隊等等。在合肥，還有幾個團隊相互配合、推進，共同向著操縱量子的夢想前進。

記者走進單光子探測實驗室，見有一套儀器正在搭建，就俯身下來想看個仔細。張強立馬阻止道：“小心！彎腰時千萬注意，眼睛一定得比那些鏡子高，否則萬一有激光，眼睛可就廢了！”張強正在研制的是一臺單光子探測器，為的是能更高效率地探測到糾纏態(tài)的光子。

做實驗時，可有什么炫目的場景？張強撓撓頭，“我們看不見一個個的光子，只能盯著儀器讀數，其實挺枯燥，沒什么好看的……”。不過，這“沒什么好看的”只是對外行人而言，張強做的可是世界最優(yōu)的上轉換單光子探測器。

建立上?；?，潘建偉還有一個考慮，就是優(yōu)越的產業(yè)化條件。他認為，基礎研究永遠有許多題目需要研究，但如果可以與應用結合、與產業(yè)化結合，就更可以看清哪些是當務之急。“其實，用量子手段還可以做很多事情，例如做原子鐘、精密測量，甚至可以用來做癌癥的早期診斷。”他說，如果可以操縱好量子，將為人類帶來更大福祉。

師生曾同獲“菲涅爾獎”

8月5日，受習近平同志委托，中共中央政治局常委、中央書記處書記劉云山來到北戴河看望專家。中科大上海研究院量子工程中心教授陳宇翱，是參加本次活動的最年輕的專家。

今年4月，歐洲物理學會正式致函陳宇翱，授予他2013年度“菲涅爾獎”，以表彰他在光子、冷原子量子操縱和量子信息、量子模擬等領域的杰出貢獻。這天恰巧是陳宇翱32歲生日，于是“菲涅爾獎”就成了一份最特殊的生日禮物。

歐洲物理學會“菲涅爾獎”是以19世紀最偉大的光學家菲涅爾命名，每兩年頒發(fā)一次，主要授予在量子電子學和量子光學領域做出杰出貢獻的青年科學家。2005年6月，中國科學技術大學教授潘建偉獲得該獎，成為獲得該獎的第一位中國科學家。2013年4月，年僅32歲的陳宇翱獲得該獎，成為獲得該獎的第二位中國科學家。他們恰巧是一對師徒。

2001年，正在中科大少年班讀大三的陳宇翱經介紹認識了剛剛回國、在學術界頗有名氣的潘建偉教授。那一次，他們進行了4小時的長談，從天文地理到人文歷史，從科學研究到人生理想，兩人談得很投機。事先，陳宇翱根本沒想到，這次談話奠定了他今后的量子之路。

此后，他進入了潘建偉正在籌建的實驗室，共同經歷了從無到有的過程。“量子世界最令人著迷的，就是它的未知性和不確定性，讓你有探知的欲望。”這正契合了他喜歡探索的天性。此后，他隨著導師，發(fā)表了一系列高水平的科研論文，成果一次入選《自然》年度十大科技亮點，兩次入選美國、歐洲物理學會年度物理學重大進展，五次入選中國十大科技進展新聞。

潘建偉說起陳宇翱，多了幾分作為師長的理性氣質，“他的確是個非常出色的年輕科學家，也非常有潛力。所以，我希望媒體不要太早關注他，讓他可以潛心學術，獲得更大的發(fā)展。”

其實，在潘建偉的團隊中，有許多非常優(yōu)秀的年輕人，只是沒與“師生菲涅爾獎”這樣吸引眼球的故事搭上邊。

例如，今年37歲的研究員彭承志，在國際上首次實現了16公里自由空間量子態(tài)隱形傳輸，該成果以封面文章的形式發(fā)表在《自然·光子學》上。論文發(fā)表后，引起了社會極大關注，美國《時代周刊》更以“中國的巨大（量子）飛躍”為題進行了專題報道。

除此之外，作為第一作者或通信作者，彭承志在實用化誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)研究方向上取得了一系列重要研究成果，其中與同事共同完成的光量子電話成果被應用于國慶60周年閱兵的安全保障工作。他也因在遠距離自由空間量子通信研究方面做出的系統(tǒng)性工作，推動了量子通信向實用化方向發(fā)展而獲得陳嘉庚青年科學獎數理科學獎。[!--empirenews.page--]

目前，在潘建偉團隊的研究骨干中，有1人入選中組部首批“千人計劃”、3人獲國家杰出青年基金、4人入選首批“青年千人計劃”、9人入選中科院“百人計劃”、2人入選教育部“長江學者”。

曾有一位智者說過，如果你想走得快，那就一個人走；如果你想走得遠，就得和大家一起走。希望這個年輕的量子團隊不斷壯大，不斷前行。希望有一天，當我們打開漂亮嶄新的量子計算機時，會發(fā)現上面有一個寫著“中國創(chuàng)造”的標簽。