推開奇妙的量子之門

　　2015年年底，世界頂級物理雜志、英國物理學會下屬的《物理世界》公布了本年度國際物理學領域的10項重大突破，中國科學技術大學教授潘建偉、陸朝陽等以“多自由度量子隱形傳態”的研究成果入選，并榮登榜首。在量子研究領域，這僅僅是該團隊無數榮譽中的一項。在2015年度國家科技獎評獎中，潘建偉、彭承志等為主要完成人的“多光子糾纏及干涉度量”團隊，又摘得了我國自然科學領域最高獎項——自然科學獎一等獎。

　　實現對多粒子糾纏的相干操縱可以確保通信安全、提升計算速度

　　量子是微觀世界不可分割的基本個體。日常生活中的光，就由大量光量子組成。量子有不同于宏觀物理世界的奇妙特性，若能掌握其特征，則有望實現對信息處理能力革命性的突破。比如，利用量子的疊加性，制造出100個粒子相干操縱的量子計算機，就可能比目前最快的超級計算機“天河二號”還快百億億倍。

　　多光子糾纏，簡要地說就是利用量子的物理特征，進行的一種對信息進行編碼、存儲、傳輸和操作的全新方式，它能對光子、原子等微觀粒子進行精確操縱，從而確保通信安全、提升計算速度。

　　上世紀90年代，物理學家在理論上證明，對微觀世界的物體而言，借助神奇的“量子糾纏”，可以將物質的未知量子態精確傳送到遙遠地點，而不用傳送物質本身。但如何讓理論設想在實驗中實現，并搭建起量子傳輸的“通道”，推動產業利用，成為國際物理學爭相研究的問題。

　　早在2004年，潘建偉團隊就在國際上首次實現了五光子糾纏和終端開放的量子態隱形傳輸，在實驗上證明了這種可能性。該成果被《自然》雜志發表，并入選當年英國物理學會和美國物理學會評選出的年度國際物理學重大進展。此后，該團隊在2007年制備出六光子糾纏，2012年又制備出八光子糾纏，目前還保持著糾纏光子數目的世界紀錄。潘建偉團隊成員之一、中科大教授陸朝陽表示，要爭取在未來5年內，實現20至30個光子的糾纏。

　　“實現對多粒子糾纏的相干操縱是量子信息技術的關鍵，也是量子信息處理的核心物理資源。”潘建偉說。物理學界認為，糾纏粒子數越多，對量子信息處理就越有用。

　　在研究基礎上，潘建偉團隊2007年在國際上首次實現了安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發，2008年實現了國際上首個全通型量子通信網絡，2012年建成首個規模化量子通信網絡。

　　潘偉健說，要實現有實用價值的量子模擬機和量子計算機的基本功能，起碼要實現幾十到上百個量子比特的糾纏，獲獎是對團隊多年在量子領域耕耘的肯定，但還有很多工作要做。

　　在10年到15年里，每個人的手機里都有望植入一個量子加密芯片

　　《西游記》中，孫悟空一個“筋斗云”就能越過十萬八千里，當時人們或許沒料到，數百年后，科學家已經在微觀粒子的層面上讓“筋斗云”變成現實——利用量子糾纏發展出的量子隱形傳態，可以將物質的未知量子態精確傳送到遙遠地點，像“筋斗云”瞬間傳輸。

　　“我們帶著一個保險箱去北京開會，而保險箱的鑰匙落在合肥了，在合肥的同事可以通過量子隱形傳態將鑰匙的每一個特征都精確傳送到北京，而在此過程中他并不掌握這把鑰匙的任何信息。”潘建偉說。

　　推開量子奇妙世界，潘建偉團隊有明確的科研路線圖：通過量子通信研究，從初步實現局域量子通信網絡，到實現多橫多縱的全球范圍量子通信網絡，以保證信息傳輸的絕對安全；通過量子計算研究，為大規模計算難題提供解決方案，實現大數據時代信息的有效挖掘；通過量子精密測量研究，實現新一代定位導航……

　　與此同時，潘建偉和團隊的一系列成果也得到了各方認可：該團隊的成果8次入選兩院院士評選的“年度十大科技進展新聞”，1次入選《自然》雜志評選的“年度十大科技亮點”，3次入選英國物理學會評選的“年度物理學重大進展”，3次入選美國物理學會評選的“年度物理學重大事件”。

　　2007年，英國《新科學家》雜志曾在“中國崛起”特刊中高度評價道，“潘和他的同事使得中國科學技術大學——因而也是整個中國——牢牢地在量子計算的世界地圖上占據了一席之地”；2012年，英國《自然》雜志在報道該項目團隊量子通信研究成果的新聞特稿“量子太空競賽”中不吝贊美之詞：“這標志著中國在量子通信領域的崛起，從10年前不起眼的國家發展為現在的世界勁旅，將領先于歐洲和北美……”

　　有人質疑，量子信息基礎研發成本高昂，目前技術還不夠成熟，實用性非常小，值得如此高投入嗎？面對質疑，潘建偉并不否認，但他相信這是階段性難題，“隨著技術進步，很多成本都會降下來。光纖剛問世的時候只能造幾十厘米，當時沒人能想到，幾十年后我們的地下會建成這么完備的光纖網絡。”

　　潘建偉說，沒有多少人預料到互聯網技術在上個世紀后半段的飛速成長，量子信息技術同樣也可能給世界帶來驚喜。他相信，由于高安全性的優勢，在未來5年左右的時間里，量子通信技術將在金融機構、國防政務、大數據中心有大用途。在10年到15年時間里，每個人的手機里都有望植入一個量子加密芯片。