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2017年12月18日

潘建伟团队:科技报国筑梦未来 誓攀量子科技之巅

  • 2017年12月18日
  • 来源:中安在线-安徽日报
  • 作者:桂运安

在浩瀚的太空,“墨子号”量子科学实验卫星与地面的量子保密通信“京沪干线”一起,首次搭建起天地一体化广域量子通信网络,并成功实现洲际量子保密通信。“墨子号”量子卫星作为近年来重大科技创新成果被写入党的十九大报告。

  实际上,无论是世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”,还是世界首条千公里级量子保密通信“京沪干线”,抑或世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机,背后无不闪耀着中国科学技术大学潘建伟院士和他的团队忙碌的身影。去年底,《华尔街日报》发表了《沉寂了一千年,中国誓回发明创新之巅》的专题文章,将“墨子号”量子卫星作为中国创新能力提升的重要标志。 3月,英国《经济学人》报道称,“没有一个量子网络比中国在去年底建成的(‘京沪干线’)更具雄心”。

  量子通信“领跑”全球

中科大教授、中科院院士潘建伟在实验室工作。 (资料照片)

  “这是我这辈子到目前为止,做过的最好科学成果。 ”6月16日,在美丽的中科大校园,潘建伟院士发布“墨子号”在世界上率先成功实现千公里级的星地双向量子纠缠分发成果时,十分动情。这一成果登上国际权威学术期刊《科学》封面。 7月,潘建伟院士和他的团队成员彭承志、张强等宣布,在国际上首次成功实现白天远距离(53公里)自由空间量子密钥分发。 8月10日,他们又宣布了新的进展:“墨子号”圆满完成量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态三大科学实验任务,这次两篇论文同时发表在顶级学术期刊《自然》上。

  成功不是偶然,而是源于长期的积淀。 “你的梦想是什么? ”“我要在中国建一个世界一流的量子物理实验室。 ”1996年,奥地利,时年26岁的潘建伟第一次拜见导师塞林格,就树立了远大的理想。 20多年来,潘建伟院士和他的团队成员彭承志、陈宇翱、陆朝阳、陈增兵等一直为这个远大的理想而努力,先后在国际上首次成功制备5光子、6光子、8光子、10光子量子纠缠态,“多光子纠缠及干涉度量”项目夺得国家自然科学奖一等奖。近年来,他们的量子通信成果更是多次入选世界年度十大科技亮点、世界年度物理学重大进展、世界年度物理学重大事件等。

  去年8月16日,由中科大主导研制的“墨子号”成功上天,我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信。9月29日,世界首条量子保密通信“京沪干线”正式开通,这是党的十八大之后我国在信息领域部署的首个重大工程,也是全球首个广域量子保密通信网项目。结合“京沪干线”与“墨子号”量子科学实验卫星的天地链路,中国与奥地利首次成功实现洲际量子保密通信,为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出坚实的一步。“这标志着中国在量子通信领域的崛起,将领先于欧洲和北美……”《自然》杂志曾如此预言。

  量子计算“称霸”在望

  “最近,我们已经实现18个光量子比特的纠缠,进一步刷新该领域的世界纪录。今年底,将上线高精度10超导量子比特的云计算平台,公众可以在线体验量子计算。”12月3日,在世界互联网大会上,潘建伟院士团队重要成员陆朝阳,发布了他们最新的研究成果。 “如果实现20个量子比特的纠缠,对特定问题的处理能力,将跟现在的手提电脑差不多。 ”潘建伟说。

  量子计算,是当前量子信息领域最热门的研究方向。相对于普通计算机,基于量子力学特性的量子计算机,拥有超乎想象的并行计算与存储能力。举个例子,如果分解一个300位的大数,用现在的计算机需要15万年,如果有万亿次的量子计算机,则只需要1秒钟。当量子计算机应用之时,现在的密码破译、基因测序等科学难题,将会迎刃而解。

  “量子计算机虽好,但想说爱你不容易。 ”3年前,陆朝阳在接受记者采访时,曾坦言量子计算机问世可能还需要相当长时间。 “争取在5年之内,实现20个至30个光子的纠缠。 ”1年前,在获得国家自然科学一等奖时,陆朝阳为自己定下这样的目标。今年,经过潘建伟院士和他的团队的不懈努力,陆朝阳的这些梦想已经基本实现。

  5月3日,潘建伟院士在上海宣布,由他们主导研制的世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生。测试表明,该原型机的处理速度比目前国际所有实验速度快至少2.4万倍,同时也第一次超过了人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机。在超导体系,他们还合作研发了10比特超导量子比特的纠缠,并演示了求解线性方程组的量子算法。

  “潘和他的同事使得中国科学技术大学——因而也是整个中国——牢牢地在量子计算的世界地图上占据一席之地。 ”10年前,英国《新科学家》杂志如此评价。

  经过10年积淀,潘建伟院士和他的团队在超导量子计算和超冷原子模拟等领域,已跻身世界一流方阵。一台操纵50个微观粒子的量子计算机,对特定问题的处理能力可超过目前最快的超级计算机“神威·太湖之光”。 “我们正朝着50个光量子比特纠缠的方向努力,力争5年内研制出比超级计算机更快的量子计算机,那个时候就可以实现量子称霸。 ”潘建伟说。

  量子革命“筑梦”未来

  “在量子通信领域,目前我们领先世界5年至10年;在量子计算领域,具有自己的特色,其中在超导量子计算和超冷原子模拟方向,已达到世界一流水平;在量子精密测量领域,与欧美国家还存在相当大的差距。 ”潘建伟坦言,量子通信技术是目前最接近实用化的技术,未来5年,希望能在一些非常重要的部门探索使用;未来10年,在一些中等保密要求的机构探索使用;未来15年,走进千家万户。届时,我们的手机或许会全部安装量子保密芯片,语音通话、金融转账、信息传输等涉密操作,将再也不用担心被窃听、盗用或攻击。

  量子力学理论自上世纪初被提出以来,不断获得实验支持,催生了激光、晶体管、全球卫星定位系统等一系列改变世界面貌的重大发明,被称为“第一次量子革命”。新世纪以来,世界主要国家纷纷制定计划、投入巨资,把量子信息技术作为未来的战略制高点,“第二次量子革命”大幕已经拉开。为抢占“第二次量子革命”制高点,目前我省已把创建量子信息科学国家实验室作为全省科技创新“一号工程”,安徽省和合肥市还共同出资设立了量子信息科技重大专项引导基金,省投资集团组建的100亿元安徽量子基金日前正式启动运营。

  十九大报告提出,强化基础研究,加强应用基础研究。目前,“量子通信和量子计算机”已被列入我国“科技创新2030—重大项目”。 “中国从前有个习惯,要么特别重视原理研究,要么特别重视应用研究,中间就会慢慢形成一个‘死亡之谷’。 ”潘建伟说,今后要加强应用基础研究,只有形成一个完整的创新链条,才能更好地推动量子信息技术的发展。

  “十九大报告,吹响了重回科技之巅的号角。 ”潘建伟说,正在发生的“第二次量子革命”,会对未来信息时代的综合国力和国家竞争力产生根本的影响,他们正在筹划建立一个量子星群,发射更多低轨和中高轨量子通信卫星,力争到2030年建成全球化的广域量子通信网络。在超导量子计算和超冷原子模拟方面,则希望通过5年努力走到国际最前列。

资料图:在中国科技大学量子储存与量子中继实验室里,潘建伟与团队成员交流。 记者程兆摄

  冬至将至,合肥的最低温度已降到零摄氏度以下。在中国科学技术大学的实验室里,潘建伟院士和他的团队正在为研发新一代量子卫星而紧张地忙碌着。无论在合肥、上海,还是北京,潘建伟院士一直来去匆匆。但一谈及量子科技,他的脚步就会不自觉地慢下来,眼里充满了激情。 “让中国的量子科学‘领跑’世界。 ”这是潘建伟院士的科技报国梦。

  赤子情怀:在中国做出世界一流的科研成果

  “如果说当年杨振宁先生和李政道先生证明,中国人在国外可以做很好的‘科学’,那么我们现在证明了,中国人在国内也可以做很好的‘科学’。 ”潘建伟院士说。

  世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”、世界首条千公里级量子保密通信“京沪干线”、世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机……这几年,潘建伟院士和他的团队成果“井喷”,仅今年一年就在《自然》《科学》两大世界顶级刊物上发表多篇论文,世界为之震动。 “潘和他的同事使得中国科学技术大学——因而也是整个中国——牢牢地在量子计算的世界地图上占据一席之地。 ”10年前,英国《新科学家》杂志如此评价。“在量子通信领域,中国用了不到十年时间,由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅。”5年前,《自然》杂志说。

  “回想自己一生,经历过许多坎坷,唯一希望的就是祖国繁荣昌盛、科学发达。 ”在中科大上海研究院量子科学卫星实验中心和量子保密通信“京沪干线”上海运控中心门厅入口的墙壁上,醒目地镌刻着著名物理学家赵忠尧的这段话。这也是潘建伟院士的“心声”,他始终不忘个人的命运与国家紧密相连,16年前毅然回国,就是想通过科学研究进一步提升国力、造福人类。

  1996年,奥地利,时年26岁的潘建伟第一次拜见导师塞林格时,赛林格问他:“潘,你的梦想是什么? ”“我的梦想是在中国建一个和这里一样的世界一流的量子光学实验室。 ”20多年来,他和他的团队成员一直为这个梦想努力着,“一定要在中国做出世界一流的科研成果”。每当合肥、上海等城市陷入沉睡的时候,潘建伟院士和他的团队科学家大多数还在伏案工作。

  “希望努力学习,早日归来,为民族复兴作出贡献!”8年前的一天,潘建伟在北京参观完“复兴之路”主题展后,给大洋彼岸的学生们发去短信。这条短信,陆朝阳存储至今。老师推荐他去英国剑桥大学学习量子技术,他承诺学成回国效力,把最新理论和方法带回来。如今,主攻量子计算的陆朝阳,已成为潘建伟院士团队重要成员。 “同样做一项科研,如果能在国内做,就算更艰苦些,为什么不回去做呢?那样更有成就感。 ”陆朝阳说。近年来,随着陆朝阳、陈宇翱、彭承志等青年学者纷纷回归,潘建伟院士和他的团队已成为世界量子科技研究中的“中国力量”。

  追梦未知:科学可以带来心灵的宁静和自由

  对于记者来说,想“抓住”潘建伟院士采访,并不容易。但只要“抓住”他,谈及量子科技,他总是激情满怀、娓娓道来,用通俗易懂的语言畅谈着他对于量子科技的理解。回首20多年“量子路”,潘建伟一再提起的,是他的科学之爱。 “科学可以带来心灵的宁静和自由。”潘建伟坦言,对于科研工作者来说,探索自然界规律、追梦未知是一件最快乐的事。

  量子论是20世纪最伟大的理论之一,与相对论一起成为现代物理学的两大基石。但量子力学自诞生之日起,便一直引发争论,具有“心灵感应”的量子纠缠、处于或死或活状态的“薛定谔猫”,让包括著名科学家爱因斯坦在内的很多科学家困惑不已。 “如果谁不对量子论而感到困惑的话,那他就是没有真正地理解量子论。 ”量子力学的奠基人波尔曾说。正因为量子论颠覆了经典世界的常识,才使得一代代科学家前仆后继,这也激发了潘建伟的兴趣。 “刚接触量子力学的时候,就没搞懂。现在研究了20多年依然没懂,但我一直想搞清楚。 ”潘建伟笑言。

  在探索未知中,潘建伟院士和他的团队取得了一项项世界级成果。 1997年,在奥地利留学时,以他为第二作者的论文“实验量子隐形传态”,被《自然》杂志评为“百年物理学21篇经典论文”。近年来,他们的量子科技成果更是多次入选世界年度十大科技亮点、世界年度物理学重大进展、世界年度物理学重大事件。 “Mr.Nature(自然先生)”,私下里,学生们如此称呼潘建伟。因为,在过去20多年里,即使面对诸多质疑,他依然带领团队在《自然》等世界顶级刊物上频频“露脸”,用行动践行科学梦想、用成绩回应各种质疑。潘建伟、陈宇翱、陆朝阳师生3人,同获欧洲物理学会颁发的“菲涅尔奖”,是潘建伟院士和他的团队不得不提的一段佳话。目前,中国科学家中只有3人斩获“菲涅尔奖”,而这3人均属于潘建伟团队。如今,主攻量子通信的陈宇翱和主攻量子计算的陆朝阳,已成为世界知名的量子科技专家。 “我的梦想,就是在这个爱好的领域继续走下去,在量子信息领域全面领先欧美国家。 ”陈宇翱表示,“如果有朝一日,既能自由地对每个光子实现单独操纵,又能按照自己的想法,操控成千上万个光子,那绝对是一种最美妙的体验。 ”

  协同创新:破茧成蝶须长远规划和群体作战

  “国家从站起来、富起来到强起来,我们科研工作也经历了从跟踪模仿学习,到与国际先进水平‘并跑’,再到目前一些领域开始‘领跑’的转变。 ”潘建伟院士说,今后要实现在量子信息技术领域的全面领先,必须要长远规划、协同创新,集中力量干大事。 “如果说,做前沿研究还能靠一个团队单打独斗,但到了卫星这样的工程,就一定得群体作战,靠集体的力量。 ”

  2016年8月16日,世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射,在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信。去年底,《科学美国人》在评选当年改变世界的十大创新技术中,中国量子卫星入选。 “墨子号”成功的背后,不仅潘建伟院士和他的团队付出了辛勤的汗水,也凝聚了中科院上海技术物理研究所、上海微小卫星中心、上海光机所、成都光电院等单位的力量。

  早在15年前,潘建伟就萌生“把卫星送上天”的想法。 “当时听起来像天方夜谭,而且欧美没有类似的项目。在许多专家对我的设想还心存疑惑时,中科院支持了这个近似疯狂的想法。 ”潘建伟说,正是在中科院和方方面面的支持下,2011年底“墨子号”正式立项。在随后4年多的时间里,潘建伟院士和他的团队遇到了无数困难,每一次困难都几乎让他们“绝望”。

  “量子卫星的信标光,相当于卫星的‘眼睛’。 ”潘建伟透露,“墨子号”原本计划去年7月发射,6月底进场后发现信标光能量迅速下降,如果那样上天可能很快就“死”掉;卫星探测器原本设计“活”3年,结果送到西欧核子中心用宇宙射线照射后,发现上天只能“活”几天,因为外层空间的宇宙射线很快会把它打“死”。“在联合团队的通力合作下,难题一个个被攻克。 ”潘建伟说,但“墨子号”刚进入轨道,卫星光学系统又出现问题,他们又一起调整参数,把卫星“救”了回来。最后,各项参数比原来好了10倍,原本准备2年完成的实验2个月就完成了。 “在‘墨子号’发射之后,加拿大为量子卫星立项,欧盟和日本、印度等国的项目也开始启动。这次,中国真正引领了一个时代的到来。 ”潘建伟说,要加快协同创新步伐,保持领跑态势。

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