自主研發(fā)：不可思議的“量子夢(mèng)”漸入現(xiàn)實(shí)

　　2015年度的國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，頒發(fā)給了由潘建偉、彭承志、陳宇翱、陸朝陽(yáng)、陳增兵組成的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)多光子糾纏及干涉度量研究團(tuán)隊(duì)——他們憑借在多光子糾纏及干涉度量上的重要研究和發(fā)現(xiàn)，取得了量子通信、量子計(jì)算等領(lǐng)域的系統(tǒng)性關(guān)鍵突破。

　　對(duì)這個(gè)在量子科學(xué)研究前沿中屹立于世界領(lǐng)先位置的團(tuán)隊(duì)來說，他們的獲獎(jiǎng)實(shí)至名歸。

　　潘建偉如何帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)突破量子信息研究的重重難關(guān)?

　　不可思議的量子信息科學(xué)

　　1935年，愛因斯坦指出，量子糾纏所體現(xiàn)的量子力學(xué)非定域性與作為經(jīng)典物理學(xué)基本觀念的定域?qū)嵲谡撝g存在根本矛盾。定域?qū)嵲谡撜J(rèn)為，處于類空間隔的兩個(gè)事件相互不會(huì)產(chǎn)生任何影響，然而量子力學(xué)非定域性預(yù)言，處于量子糾纏的兩個(gè)粒子，無論相距多么遙遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)粒子的測(cè)量會(huì)瞬間改變另一個(gè)粒子的量子狀態(tài)，愛因斯坦把這一現(xiàn)象稱為“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)”。

　　“所謂的詭異互動(dòng)就是理論上說的‘糾纏’，好比兩人相處兩地，各執(zhí)一枚骰子，當(dāng)這兩枚骰子處于糾纏態(tài)時(shí)，兩人將骰子拋出，最后兩邊得出的結(jié)果將完全一樣?！迸私▊ビ眯蜗蟮谋扔飨蛴浾哒f明量子糾纏的基本原理。

　　在網(wǎng)絡(luò)信息安全方面，量子通信克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患，是迄今唯一被嚴(yán)格證明是無條件安全的通信方式，可以從根本上解決國(guó)防、金融、政務(wù)、能源、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問題。

　　求解一個(gè)億億億變量的線性方程組，利用目前世界上最快的天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要100年，而利用計(jì)算頻率還低一萬倍的THz量子計(jì)算機(jī)，只需0.01秒。量子計(jì)算將帶來現(xiàn)有計(jì)算能力的質(zhì)的飛躍，為密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、石油勘探、藥物設(shè)計(jì)等所需的大規(guī)模計(jì)算難題提供解決方案;并可通過其強(qiáng)大的模擬能力，揭示高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜物理機(jī)制，為先進(jìn)材料制造和新能源開發(fā)奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

　　量子精密測(cè)量可實(shí)現(xiàn)對(duì)重力、時(shí)間、位置等的超高靈敏度測(cè)量，大幅提升衛(wèi)星導(dǎo)航、潛艇定位、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、引力波探測(cè)等的準(zhǔn)確性和精度。比如，一條潛艇，使用目前最好的經(jīng)典加速度計(jì)來自主導(dǎo)航，航行100天后誤差達(dá)到200公里，就不得不需借助衛(wèi)星修正位置，但這也意味著暴露行蹤的可能;如果利用量子導(dǎo)航儀(原子加速度計(jì))進(jìn)行測(cè)量，航行100天后的位置測(cè)量誤差小于1公里，潛艇可以不需要借助衛(wèi)星導(dǎo)航，進(jìn)行長(zhǎng)期潛伏。

　　前赴后繼的科研工作者們?cè)诹孔恿W(xué)逾百年的研究基礎(chǔ)上，逐漸掌握了對(duì)量子狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控的能力，從而開辟出量子信息科技——包括量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量等，可以突破經(jīng)典技術(shù)的極限，滿足信息和物質(zhì)科學(xué)技術(shù)的革新訴求。

　　圖①實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，陳宇翱向記者介紹基于超冷原子光晶格的量子模擬。圖②以潘建偉為核心的量子信息研究團(tuán)隊(duì)。圖③超導(dǎo)量子芯片。

　　圖④中科大博士生正在量子物理與量子信息實(shí)驗(yàn)室中做實(shí)驗(yàn)。

　　近20年來，量子調(diào)控與量子信息領(lǐng)域共產(chǎn)生了10余名諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，量子信息科學(xué)已然成為當(dāng)代物理學(xué)最活躍的研究前沿之一。

　　碩果累累的量子領(lǐng)域突破

　　1970年出生的潘建偉是一名“海歸”。在中國(guó)科大讀完本碩后，他去奧地利攻讀博士學(xué)位，學(xué)習(xí)當(dāng)時(shí)國(guó)際上最先進(jìn)的量子物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)。2001年他學(xué)成回到母校，組建了量子物理和量子信息實(shí)驗(yàn)室。

　　那時(shí)，多粒子糾纏操縱存在巨大的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)，國(guó)際上仍處于對(duì)單量子粒子體系和兩粒子糾纏的研究水平，多粒子糾纏的實(shí)驗(yàn)制備和操縱幾乎空白。

　　“長(zhǎng)期以來，我國(guó)基礎(chǔ)科技研發(fā)大多是對(duì)國(guó)外成果的模仿與跟蹤，而我們決心讓中國(guó)量子信息技術(shù)做到全世界最好”。潘建偉說。

　　他領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目組發(fā)展了一系列關(guān)鍵技術(shù)，2003年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了多體糾纏性質(zhì)被嚴(yán)格驗(yàn)證的四光子糾纏態(tài)，之后又通過驗(yàn)證GHZ定理以最強(qiáng)烈的方式揭示出量子力學(xué)與定域?qū)嵲谡撝g的矛盾。

　　此后，團(tuán)隊(duì)先后于2004年、2007年和2012年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了五光子、六光子及八光子的糾纏，在多光子糾纏操縱實(shí)驗(yàn)研究上不斷刷新世界紀(jì)錄，并始終保持著國(guó)際領(lǐng)先地位。

　　多光子糾纏操縱是量子信息處理的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)的突破自然會(huì)帶來應(yīng)用的突破。正如2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者瓦恩蘭指出，“糾纏粒子數(shù)越多，量子力學(xué)非定域性越強(qiáng)烈，對(duì)量子信息處理也越有用”。

　　在量子通信方面，2007年，項(xiàng)目組利用誘騙態(tài)方法，克服了現(xiàn)實(shí)條件下光源不完美帶來的安全隱患，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，從而開啟了量子通信技術(shù)實(shí)用化的大門。

　　隨著國(guó)際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)、首個(gè)規(guī)?；怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)相繼于2008年和2012年建成，中國(guó)量子通信技術(shù)已逐步走向?qū)嵱没?。潘建偉團(tuán)隊(duì)利用自主研制的量子通信裝備，為60周年國(guó)慶閱兵、黨的十八大、抗戰(zhàn)勝利70周年閱兵等國(guó)家重要政治活動(dòng)提供了信息安全保障。

　　“這標(biāo)志著中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國(guó)家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美……”英國(guó)《自然》雜志曾如此稱贊道。

　　恰似“星際迷航”般的量子隱形傳態(tài)則更顯神奇。利用量子糾纏，量子隱形傳態(tài)可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)。