2020.09.13

【科学网】潘建伟团队:做世界“最牛”的量子研究

近日,光量子计算和大尺度光量子信息处理两项成果双双入选中国科学院“率先行动”计划第一阶段59项重大科技成果及标志性进展。

8月16日,世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”迎来4岁生日。在距离地球500公里的轨道上,这颗超期服役2年的“老”卫星仍然捷报频传。

6月15日,中国科学院院士、hg8868皇冠手机登录教授潘建伟领衔的合作团队在《自然》发表论文,在国际上首次实现了基于纠缠的无中继千公里级量子保密通信。这也是“墨子号”4年间产生的第5篇《自然》《科学》论文。

随着一项项科学实验的成功,卫星量子通信的应用前景日益清晰。

战略布局占先机

7月23日,美国能源部公布报告,规划了美国“量子互联网”战略蓝图。欧盟早在2016年也提出过“欧洲量子技术旗舰计划”,打算用10年建成量子互联网。

可喜的是,我国在这一领域,相关基础研究和工程技术水平都处于国际引领地位。

今年3月,我国科学家刚刚创造了光纤量子通信509公里的新纪录。同时,“墨子号”保持着星地之间1200公里量子通信的世界纪录。“墨子号”和“京沪干线”的成功实施,构建了国际首个天地一体的广域量子通信网络雏形。

之所以能“起个大早、赶个早集”,得益于潘建伟的战略眼光与布局。

量子科技研究主要集中在量子通信、量子计算和量子精密测量等领域,有多光子纠缠、光量子计算、超冷原子量子模拟、光晶格量子模拟、量子中继器等诸多方向。这么多学科方向,一个人不可能包打天下。从单枪匹马到带领一支近百人的团队,潘建伟用了10多年时间。

本世纪初,量子科技在中国还颇为冷门。潘建伟也面临着学科方向不被理解、申请经费四处碰壁的困境。在人手紧缺的情况下,他却果断地把优秀学生纷纷送走。德国海德堡大学、奥地利因斯布鲁克大学、美国斯坦福大学、英国剑桥大学、瑞士日内瓦大学……这些量子科学和技术顶尖团队所在地,都留下了潘建伟弟子学习的身影。如今,各研究室独当一面的负责人正是当年那些漂流四海的年轻人。

“墨子号”量子纠缠源分系统主任设计师印娟的成长路线却略有不同。2002年,大二结束的暑假,印娟来到潘建伟实验室,成为实验室第一位女生,从此再没有离开。2017年,“墨子号”千公里级星地双向量子纠缠分发实验成功,以封面论文的形式发表在《科学》,印娟成为团队里第一个同时拥有《自然》和《科学》第一作者身份的科学家。

善于布局,也安心等待。这样的一支团队,一出手就是“大”成果不足为奇。

敢想敢干出奇迹

“墨子号”科学应用系统主任设计师任继刚,至今仍清楚地记得读博时第一次听潘建伟作报告的情景。“太神奇了,就像听一个科幻故事。”他回忆说。

在场的很多人可能也跟任继刚一样,把量子科技当成科幻故事。而作报告的那个人却是认真的。

2003年,潘建伟陷入量子通信研究瓶颈。由于光子在光纤传输时损耗太大,传输100公里只剩下1%的信号到达接收端。而外太空因为几乎真空,光信号损耗非常小,潘建伟破天荒地提出了“上天”这个“大胆且疯狂”的方案。

当时,他向博士生彭承志科普量子通信的发展前景,当说到需要通过太空实现长距离传输时,彭承志认为“这是一个遥不可及的梦想”。他问潘建伟:“这个事,是不是挺牛的?”潘建伟想了想,很肯定地回答:“肯定牛,是世界上最牛的,至少是之一。”

带着这样的信念,他们在合肥大蜀山山顶开始了第一个实验,于2005年实现了13公里的量子纠缠分发。这个传输距离超过了大气层的等效厚度,从而证实了远距离自由空间量子通信的可行性。

2009年,团队在青海湖开展百公里量子纠缠分发实验。当时,团队里的3位主力——2007年博士毕业的任继刚、2009年博士毕业的印娟、2010年将要博士毕业的廖胜凯,后来分别成为“墨子号”3个分系统主任设计师。

岛上通信信号极差,几位年轻人没什么消遣,晚上做实验,白天借着搭建的无线网桥开例会。2012年,团队在国际上首次实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。

2017年,利用“墨子号”,他们将量子纠缠分发的距离再提高一个量级,达到1200公里。

从大蜀山的13公里到天地间的上千公里,潘建伟团队一步一个脚印,从无到有地验证了量子通信的可行性。

“率先行动”很给力

中国科学院院士、科技部原部长徐冠华曾公开指出,我国对自身科学研究能力不自信,“在科技项目的确定过程中,习惯于拒绝支持有争议的项目,排斥没有国外先例的研究”。

当年的潘建伟,面对的就是这样的窘境。

2003年,潘建伟首次提出利用卫星实现自由空间量子通信的构想。这个“前无古人、闻所未闻”的想法立即遭到多方质疑:量子信息科学,欧洲美国都刚刚起步,我们为什么现在要做?

这个“不靠谱”的计划却获得了中国科学院的支持。2011年底,中国科学院空间科学先导专项正式立项“量子科学实验卫星”,自此打开了量子世界的大门。

2014年,中国科学院启动实施“率先行动”计划,给“墨子号”研制团队带来了“集团军”的支持。当年10月,中国科学院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心率先成立,2017年5月更名为量子信息与量子科技创新研究院。这使得hg8868皇冠手机登录同中国科学院上海技术物理研究所、微小卫星创新研究院、光电技术研究所等都有了更加紧密的合作关系。

中国科学院上海技术物理研究所研究员、量子科学实验卫星工程常务副总师王建宇曾比喻称:星地间量子纠缠分发的难度,就像在太空中往地面的一个存钱罐里扔硬币,而且天空中的“投掷者”相对地面上的“存钱罐”还在高速运动。

在“率先行动”计划的支持下,这样一项看似“不可能的任务”最终顺利完成。“我们的合作体现出了创新研究院的价值,那就是集中力量干大事。”潘建伟说。

中国科学院院长、党组书记白春礼评价称,“墨子号”为中国在国际上抢占了量子科技创新制高点,成为了国际同行的标杆,实现了“领跑者”的转变。

天时、地利、人和,量子团队的下一个“惊喜”也许很快就会到来。(陈欢欢)

科学网2020年09月13日

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/9/445425.shtm