潘建伟（左三）和同事们在实验室做实验。（资料图片）
在量子信息科学领域，潘建伟团队取得的成就令人惊羡：量子隐形传态及纠缠交换，远距离的自由空间量子隐形传态与双向量子纠缠分发，绝对安全距离超过百公里的量子密钥分发，并始终保持着纠缠光子数的世界纪录。
■本报记者 俞路石 通讯员 曾皓
最近，中科院院士、中国科技大学教授潘建伟团队，在可容错量子信息处理上取得重要进展，正朝着实现大尺度量子网络迈出重要一步。这项研究成果发表在今年5月期的国际权威学术期刊《自然·光子学》上。
今年44岁的潘建伟与量子世界结缘要追溯到他的大学时代，对量子世界的痴迷和快速进入学术前沿，使得他美丽的“物理梦”不再模糊。由于在量子领域的研究成就，2012年，只有42岁的潘建伟获得量子信息科学领域最高奖项“国际量子通信奖”。
在量子信息科学领域，潘建伟团队取得的成就令人惊羡：量子隐形传态及纠缠交换，远距离的自由空间量子隐形传态与双向量子纠缠分发，绝对安全距离超过百公里的量子密钥分发，并始终保持着纠缠光子数的世界纪录。
大学时代就痴迷于量子世界
选择物理作为自己的专业，完全出于潘建伟的兴趣和爱好。1987年高考时，他本来有机会被保送到浙江大学读经济管理类等热门专业，但这样就不能圆他的“物理梦”。
是父亲“不管做什么，只要你喜欢就好”的话，让潘建伟觉得释然：“我忽然发现，排除了功利的想法，选择其实也很简单，只要遵从自己的内心就好了。”最终，潘建伟考入中国科学技术大学近代物理系，很快，他便对量子力学着了迷。潘建伟说：“量子力学是一种积极向上的科学，令人着迷。”
1996年，在中国科大获得理论物理硕士学位后，潘建伟投入奥地利维也纳大学蔡林格教授门下攻读博士学位。当时，蔡林格教授50出头，年富力强，正处于学术活跃期。事实证明，这是一次极为正确的选择。“很多人都有跳起来摘下苹果的能力，关键看你是否站在有苹果的树枝下，而导师就是将你带到有很多苹果的树枝下的人。”潘建伟说。
那时候，导师正在组织一个几百万欧元的欧盟项目，这是量子信息实验研究方面的第一个国际合作项目。此前，量子信息一直处在理论研究阶段，还没有获得实验支撑。
起初，潘建伟并不知道这个项目，他的脑子里正在酝酿一个对量子态进行隐形传输的实验方案。一个月后，他觉得方案成熟了，便兴奋地在研究小组里报告他的设想。然而，报告结束后，全组没有一个人说话，这令潘建伟十分诧异。好半天，蔡林格教授问：“潘，你不知道这就是量子态隐形传输的理论方案吗？你不知道我们另一个小组正在做这个实验吗？”
潘建伟确实不知道，但他一点都不觉得沮丧，反认为这是上天在眷顾他。他坚定地和导师说：“我要加入这个实验！”导师认真考虑后接受了他的请求。“我加入虽然比较晚，但因为理论功底比较好，很快就进入了状态，工作进行得相当快。”
1997年，题为《实验量子隐形传态》的研究论文在《自然》杂志上发表，该成果被公认为量子信息实验领域的开山之作，同时被欧洲物理学会和美国物理学会评为世界物理学年度重大进展，被美国《科学》杂志评为年度全球十大科技进展。该论文后来还被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”之一。
“我是论文的第二作者，发表实验数据的测量和处理主要是由我完成的。”潘建伟说，“以这个工作为起点，量子信息实验研究此后进入热门状态。”
这一年，潘建伟刚刚27岁。
与国际先进小组密切合作
1999年获得维也纳大学博士学位后，潘建伟准备回国工作。当时，量子信息研究发展很快，但无论是研究水平还是人才储备方面，国内的基础都很薄弱。必须与国际上的先进小组保持密切的联系，虚心向他们学习，才能更快地前进。
出于这样的考虑，潘建伟与他的同学杨涛教授，在组织科研队伍、开展实验室建设的同时，还继续在维也纳大学从事多光子纠缠方面的合作研究。“成果出得很快，仅2003年，国内研究组作为第一单位发表的《物理评论快报》论文就有7篇。”潘建伟回忆说。
2004年，潘建伟研究组在国际上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输，《自然》杂志发表了这一成果，并称赞说：“尽管五粒子纠缠的实现非常困难，但是中国科学技术大学的潘建伟教授和他的同事们完成了这一壮举。这种新颖的量子态隐形传输是量子纠错和分布式量子信息处理所需要的关键技术。”这一成果同时入选欧洲物理学会和美国物理学会评选出的年度国际物理学重大进展，这对中国科学家来说是第一次。
“很自豪！这表明国内研究组在量子纠缠方面工作已成功跃居国际领先水平。”潘建伟说，“我可以离开维也纳了，那里的知识国内小组已经全部掌握了。”
此后，潘建伟到德国海德堡大学从事量子存储的合作研究。“要实现高效、长距离的量子通信，必须发展量子存储和量子中继技术，而冷原子系综是实现量子存储的理想系统。”潘建伟说，“海德堡大学的冷原子研究处于国际领先地位，我们必须把别人的看家本领学到手。”
几年下来，潘建伟团队在冷原子量子存储方面形成了丰富的人才和技术积累，取得了一系列国际领先的研究成果。2008年，《自然》杂志发表了潘建伟和他的同事完成的题为《量子中继器实验实现》的研究成果。《自然》杂志称赞该工作“扫除了量子通信中的一大绊脚石”。他们还首次实现了光子比特与原子比特间的量子隐形传态；首次将单次激发量子存储的寿命延长至毫秒量级，将以前的结果提高了两个数量级；首次实现了纠缠光子的量子存储；实现了国际上综合性能最优的长寿命、高读出效率的量子存储等。
与国际先进小组保持密切的合作，不断地取长补短，是潘建伟团队得以快速发展壮大的秘方。
精心打造一支高水准科研团队
量子信息研究集多学科于一体，要想取得突破，必须拥有不同学科背景的人才。这些年，为了做好量子信息这盘“菜”，潘建伟一直在储备各种“原料”，将不同学科背景的年轻人送出国门，到德国、英国、美国、瑞士、奥地利等国量子信息研究优秀的国际小组加以锻炼。
这些特意“放飞”国外多年的年轻人悉数回国，使科大团队得到空前的壮大：做冷原子物理的陈帅、苑震生、陈宇翱，做量子点的陆朝阳，做单光子探测器的张强和张军，做光量子通信和量子计算的陈凯，做理论的赵博和邓友金等纷纷回国加盟，形成了一支特色鲜明、优势互补的年轻研究队伍，已经具备了引领学科发展、建设国际水平研究中心的基础条件。
“他们之所以回中国科大，是因为我们已经是一个有国际影响力的团队，他们在这里大有用武之地。”如今，潘建伟领导的中国科大合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与量子信息研究部可谓人才济济，光是“青年千人计划”教授、“百人计划”教授就有10来个。“他们基本上都比我小10岁左右，正处在创新能力的高峰期。”
自2008年入选中组部首批“千人计划”以来，潘建伟带领研究团队在基于光与冷原子的量子信息处理这一研究方向上开展了系统性的研究工作，在包括量子通信、量子计算、量子模拟和精密测量在内的量子信息实验研究上取得了一系列国际领先的原创性基础研究成果和技术积累，同时在量子通信技术的应用基础研究和应用研究方面走在了国际前列。
这其中包括多个令人惊艳的“第一”：实验实现了16公里自由空间量子态隐形传输，创造了当时量子态隐形传输距离的世界纪录；在国际上首次实验实现了八光子薛定谔猫态；利用八光子纠缠态，在国际上首次实验实现了拓扑量子纠错，成果以长文的形式发表在《自然》杂志上；在国际上首次实验实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，成果在《自然》杂志发表……
为表彰潘建伟在量子通信和多光子纠缠操纵方面的先驱性贡献，2012年8月，他被国际量子通信、测量与计算学会授予2012年度“国际量子通信奖”。该奖项是量子信息科学领域的最高奖，每两年颁发一次，潘建伟是获得这一荣誉的首位华人物理学家。2013年，潘建伟又喜获何梁何利基金“科学与技术成就奖”。
“在光量子纠缠操纵和量子通信方面，我们最终都走到了领跑的位置。”潘建伟说，“现在我们可以在国内开展国际领先的研究工作了。”
致力于国家信息安全战略研究
致力于国家信息安全战略的量子通信技术应用基础研究和应用研究，是潘建伟团队一直努力推进的领域。2009年4月，他们在合肥市建立了世界上首个多节点的全通型光量子电话网，并在新中国成立60周年国庆阅兵期间为天安门城楼、中南海等关键地点之间构建了“量子通信热线”，用于重要信息传送保障。
随后，他们成功发展了国际领先的城域光纤量子通信技术和组网技术。在各科研主管部门和地方政府的支持和推动下，2012年完成了包括几十个节点的合肥城区量子通信网络示范工程，规模远远超过国际上已有的量子通信网络，并在合肥市多个政府部门、金融机构、科研院所得以应用，标志着大容量的量子通信网络技术已经取得了关键性突破。
2012年，该团队与新华社合作建设的“金融信息量子通信验证网”也在北京开通，在世界上首次实现了利用量子通信网络对金融信息的安全传输。同年11月，该团队研制的“基于量子通信的高安全通信保障系统”在首都北京投入永久运行，为十八大等国家重要政治活动提供重要的信息安全保障。
“量子保密通信在城域网上的使用基本成熟，快则两三年，慢则三五年，就可以推广。”潘建伟说，“但要实现广域的量子保密通信，还需要借助卫星。”量子信息的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗，如果能够在技术上实现纠缠光子在穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性，人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。
为此，潘建伟团队牵头组织了“量子科学实验卫星”中科院战略性先导科技专项，预计在2015年到2016年间发射卫星。潘建伟说，他的导师蔡林格教授得知中国要发射量子卫星后，专程来华两次，希望能合作参与这项工作，并与奥地利科学院院长一道访问了科学院，与我方签署了“洲际量子密钥分发”合作协议。
“许多人问我，什么是我的梦想？我说，梦想不是你想要得到什么东西，而是你发现一个很美妙的事情，你想去做。”潘建伟说，“能在目前的基础上将量子通信技术发展到极致，而这既对国家和民族有利，又能满足我自己的好奇心。”
