解密國家自然科學(xué)獎一等獎“潘之隊”

林梅+陳曉雪

2015年國家最高科技獎出現(xiàn)空缺，國家自然科學(xué)獎一等獎花落中國科大潘建偉團(tuán)隊的“多光子糾纏及干涉度量”。

這是一個始于1997年，從追隨到趕超的精彩故事。早在2012年12月，《自然》雜志在報道潘建偉團(tuán)隊時曾寫道：“在量子通信領(lǐng)域，中國用了不到10年的時間，由一個不起眼的國家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美。”

“我一直都知道他（潘建偉）會有一個精彩的職業(yè)，但是他的成功令人難以置信，我想這是任何人都沒有預(yù)見到的。我為他感到驕傲?！比昵?，奧地利維也納大學(xué)物理學(xué)家Anton Zeilinger在接受《自然》雜志采訪時說。

“建偉教授和他的合作者于1997年最早開始從事量子態(tài)的隱形傳輸，這實際上是拉開了量子通信研究的一個序幕?；貒院笏麕ьI(lǐng)團(tuán)隊，把研究對象從量子通信，很快又?jǐn)U展到了量子計算等方面，僅僅十幾年的時間，他們把國家在量子通信、量子計算領(lǐng)域的研究從追隨者很快變成了一個引領(lǐng)者，這方面建偉和他的團(tuán)隊做出了很大的貢獻(xiàn)?！?015年4月，在未來論壇的講座上，北京大學(xué)物理學(xué)教授謝心澄這樣評價潘建偉。

功到自然成。2016年1月8日，中國科學(xué)院院士潘建偉及其團(tuán)隊的“多光子糾纏及干涉度量”研究，獲得我國自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎項—國家自然科學(xué)一等獎。

多光子糾纏干涉量度學(xué)是基于人類對于量子力學(xué)基本問題（如量子糾纏、非定域性）的深入研究和實驗量子調(diào)控技術(shù)的巨大進(jìn)步發(fā)展起來的新興學(xué)科。

根據(jù)量子物理理論，人們可以通過對光子、原子等微觀粒子的精確操縱，以一種變革性的方式對信息進(jìn)行編碼、調(diào)制和傳輸，在確保通信安全和提升計算速度等方面能夠突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。所以，對這些微觀粒子糾纏的相干操縱是發(fā)展實用化量子信息和量子通信必須的技術(shù)準(zhǔn)備。

基于這種思路，潘建偉和他的團(tuán)隊選擇將光子作為研究和操縱對象，用了十幾年的時間，極大地發(fā)展了多光子糾纏和干涉技術(shù)，并通過操縱光子，率先實現(xiàn)了量子信息處理關(guān)鍵方案（如量子隱形傳態(tài)）和幾乎所有的重要量子算法，繼而系統(tǒng)地應(yīng)用于量子通信、量子計算和量子精密測量等多個研究方向，這不但奠定了廣域量子通信和光學(xué)量子信息處理的科學(xué)基礎(chǔ)，也將量子保密通信技術(shù)帶入現(xiàn)實應(yīng)用。

可以說，以潘建偉為代表的一批“領(lǐng)跑者”，通過發(fā)展多光子糾纏干涉量度學(xué)，引領(lǐng)和推動了我國的量子信息和量子通信研究的熱潮，也奠定了我國在該領(lǐng)域極具特色的國際優(yōu)勢。

量子通信和量子信息，無論在國際還是國內(nèi)，都算得上是年輕的前沿學(xué)科。它對于潘建偉來說，從他作為博士研究生在導(dǎo)師Anton Zeilinger教授的實驗組首次實現(xiàn)光子的量子隱形傳態(tài)算起，也僅僅過去了十八九個年頭。

現(xiàn)如今，潘建偉已經(jīng)帶領(lǐng)自己的團(tuán)隊，率先完成了包括五、六、八光子糾纏，利用多光子操縱率先實現(xiàn)量子信息處理關(guān)鍵方案，全面發(fā)展了面向?qū)嵱没Ｃ芰孔油ㄐ诺墓饬孔觽鬏敺椒ǖ纫幌盗邢闰?qū)性的系統(tǒng)工作。

他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊的研究方向主要是量子通信、量子計算與模擬、量子精密測量。其中，在量子通信方面，有量子保密通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”在研;在量子計算的基礎(chǔ)性研究方面，多次刷新多光子糾纏制備世界紀(jì)錄;在量子導(dǎo)航、生命科學(xué)等方面，推動運(yùn)用高精度量子測量手段開展研究。

“我至今仍清晰地記得第一次見到Zeilinger教授時，他問我的夢想是什么，我回答說：‘在中國建一個像您的實驗室這樣世界領(lǐng)先的量子光學(xué)實驗室。”在一篇回憶性的自述中，潘建偉寫道。

1996年，潘建偉來到奧地利因斯布魯克大學(xué)（University of Innsbruck），跟隨奧地利物理學(xué)家Anton Zeilinger攻讀實驗物理學(xué)博士學(xué)位。

在此之前，潘建偉在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)完成物理本科教育，并取得理論物理碩士學(xué)位。在那里，潘建偉第一次接觸到量子力學(xué)，了解到在微觀世界里有很多奇特的現(xiàn)象。然而，隨著研究的深入，潘建偉越發(fā)認(rèn)識到，量子理論中的各種懸疑需要尖端的實驗技術(shù)才能得以驗證，而當(dāng)時國內(nèi)在這方面與國際先進(jìn)水平相比還比較落后。

海外留學(xué)，中國物理專業(yè)的學(xué)生很自然的一個選擇是到美國。事實上，很多學(xué)生曾開玩笑說，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的英文首字母縮寫“USTC”實際上代表的是“United States Training Center（美國訓(xùn)練中心）”。

那時，Anton Zeilinger在因斯布魯克大學(xué)建立了自己的量子實驗室，已經(jīng)是量子物理領(lǐng)域的專家。他需要找人來驗證自己的一些想法。就在此時，26歲的潘建偉來了。

“他剛來時，對實驗室的工作一無所知，但是他很快就掌握了實驗的規(guī)則，并開始設(shè)計自己的實驗?！盳eilinger教授在《自然》雜志的采訪中說道。

1997年，進(jìn)入Zeilinger實驗室剛剛一年的潘建偉和同事完成了最為重要的一個實驗，他們在國際上首次隱形傳送一個光子的極化狀態(tài)。

量子隱形傳態(tài)（quantum teleportation）的概念由美國科學(xué)家C.H.Bennett在1993年提出，是一種由量子態(tài)攜帶信息的通信方式，利用光子等基本粒子的量子糾纏原理，將量子未知的一個狀態(tài)傳送到另外一個粒子上去。

量子力學(xué)中的“不可克隆定理”指出，未知量子狀態(tài)首先不可克隆，被復(fù)制的原量子態(tài)會遭到破壞，我們并不能夠制造出一個量子態(tài)完美的復(fù)制品，而只能將原量子態(tài)從一個粒子完全地傳送到另一個粒子，隨后第一個粒子將不再處于原量子態(tài)。

Zeilinger小組于1997年在實驗上實現(xiàn)了基本粒子單一自由度的傳輸，但是對于量子隱形傳態(tài)來說，真正要傳輸一個微觀粒子的狀態(tài)，需要把一個微觀粒子所有的性質(zhì)都傳過去。這是擺在世界量子信息科學(xué)家面前的一個難題。后面我們知道，潘建偉和他的團(tuán)隊在2015年年初首次實現(xiàn)了單光子多自由度的量子隱形傳態(tài)，打破了量子隱形傳態(tài)長達(dá)18年的實驗僵局。

1999年，潘建偉獲得奧地利維也納大學(xué)實驗物理博士學(xué)位，隨后在Zeilinger小組做博士后研究、高級研究員，并擔(dān)任聯(lián)合PI。

2000年左右，國際量子計算和量子加密等前沿研究工作，已經(jīng)引起中國科學(xué)院和國家自然科學(xué)基金委員會的注意。2001年，剛過而立之年的潘建偉回國開始組建自己的量子物理與量子信息實驗室。

隨后的十幾年中，潘建偉在一步步地實現(xiàn)自己最初加入Zeilinger實驗室時的夢想。

如果將潘建偉團(tuán)隊比作一支球隊，潘建偉的角色就是主教練、總經(jīng)理。他不僅要負(fù)責(zé)球員的訓(xùn)練、比賽的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)，還要眼觀六路，耳聽八方，負(fù)責(zé)球員的引進(jìn)與對外合作。

科學(xué)家在組建自己的科研隊伍初期，往往什么都沒有，而且團(tuán)隊磨合需要的時間可能更長。幸運(yùn)的是，潘建偉獲得了中科院共計650萬元的科研經(jīng)費(fèi)，為實驗室啟動打下了基礎(chǔ)。

潘建偉從親自訓(xùn)練自己的學(xué)生開始。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)1998級少年班的陳宇翱是潘建偉回國后招收的第一個碩士研究生，他曾在第29屆國際中學(xué)生物理奧賽獲得實驗第一、總分第一。2003年，在潘建偉的指導(dǎo)下，陳宇翱搭建了世界上第一個五光子糾纏的實驗平臺。2004年，潘建偉團(tuán)隊在國際上首次實現(xiàn)五光子糾纏和終端開放的量子隱形傳態(tài)，《自然》雜志發(fā)表了這一成果。同年，這一成果入選歐洲物理學(xué)會和美國物理學(xué)會評選出的年度國際物理學(xué)重大進(jìn)展，這對中國科學(xué)家來說是第一次。

然而，踢好一場比賽需要不同位置的球員，實驗室建設(shè)也需要多學(xué)科人才，光學(xué)、冷原子物理、電子學(xué)等學(xué)科人才缺一不可。潘建偉知道，學(xué)習(xí)國外頂尖實驗室的先進(jìn)技術(shù)，是快速提升實驗室實力的最好辦法。

“潘老師根據(jù)每個人的研究專長，盡可能地將我們分派到全球各個頂級的量子研究中心，掌握最新研究成果，因此團(tuán)隊中的每個人都各司其職，各有所長?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)教授、英國劍橋大學(xué)物理學(xué)博士陸朝陽接受媒體采訪時表示。1982年出生的陸朝陽是潘建偉團(tuán)隊的青年骨干，2004年從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)之后，開始師從潘建偉開展光子糾纏和量子計算方面的研究，曾獲中科院青年科學(xué)家國際合作伙伴獎（2014）、求是杰出青年學(xué)者獎（2014）。

在潘建偉的推薦下，組里的學(xué)生們分赴英國、美國、德國、瑞士、奧地利等高水平國際小組中接觸不同的學(xué)科，如陳宇翱在2004年赴德國海德堡大學(xué)學(xué)習(xí)冷原子量子調(diào)控，陸朝陽則在2008年到劍橋大學(xué)卡文迪實驗室學(xué)習(xí)基于半導(dǎo)體量子點的固態(tài)體系量子調(diào)控技術(shù)。此外，在國外學(xué)習(xí)或工作的張強(qiáng)、陳凱、趙博和鄧友金等人也由于各自在單光子探測器、光量子通信、原子系綜、統(tǒng)計物理理論等方面表現(xiàn)出的能力被潘建偉“相中”，相繼展開合作，直至后來回國加盟。

2008年，在海德堡大學(xué)的實驗裝置被潘建偉整體搬遷回科大的同時，借助“百人計劃”“青年千人計劃”，這些不同學(xué)科背景的年輕人也陸續(xù)回國，他們回國時基本上是30歲出頭，正處在創(chuàng)新能力的高峰期。

這是一個有著國際一流水平的量子物理實驗團(tuán)隊。陳宇翱和陳帥擅長冷原子量子模擬，苑震生和包小輝主攻量子存儲，陳增兵和鄧友金玩轉(zhuǎn)量子理論，而陸朝陽則以其頂尖的多光子糾纏和固態(tài)量子光學(xué)技術(shù)在該領(lǐng)域保持國際領(lǐng)先水平，彭承志更是憑借其在實用化誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)研究和遠(yuǎn)距離自由空間量子通信研究上的建樹，作為首席科學(xué)家助理及科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)人，參與領(lǐng)導(dǎo)并組織將于2016年發(fā)射升空的量子科學(xué)實驗衛(wèi)星項目。

成員全部回國后，潘建偉團(tuán)隊的研究四面開花，連連得分，幾乎每年都有重大進(jìn)展。例如，2009年，潘建偉團(tuán)隊將光纖量子通信安全距離提高到200公里，組建了世界上首個多節(jié)點的全通型光量子電話網(wǎng)，使量子通信在城市范圍內(nèi)的實用化成為可能。2014年11月，潘建偉及其同事張強(qiáng)、陳騰云與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所、清華大學(xué)的科研人員合作，通過發(fā)展高速獨(dú)立激光干涉技術(shù)，結(jié)合中科院上海微系統(tǒng)所自主研發(fā)的高效率、低噪聲超導(dǎo)納米線單光子探測器，將可以抵御黑客攻擊的遠(yuǎn)程量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全距離擴(kuò)展至200公里，并將成碼率提高了3個數(shù)量級，創(chuàng)下新的世界紀(jì)錄。

2015年初，潘建偉、陸朝陽團(tuán)隊在國際上首次成功實現(xiàn)同時傳送單光子的兩個自由度—自旋（極化）和軌道角動量（OAM），該研究刊登在2月6日的《自然》雜志封面上。國際量子光學(xué)專家Wolfgang Tittel教授在同期《自然》雜志中說：“該實驗的實現(xiàn)為理解和展示量子物理的一個最深遠(yuǎn)和最令人費(fèi)解的預(yù)言邁出了重要的一步，并可以作為未來量子網(wǎng)絡(luò)的一個強(qiáng)大的基本單元。”年末，該項成果入選歐洲物理學(xué)會《物理世界》2015年度國際物理學(xué)領(lǐng)域的十項重大突破，且位居榜首。

潘建偉小組的杰出工作吸引了許多國外名校的量子物理研究學(xué)者慕名而來，加拿大卡爾加里大學(xué)的理論物理學(xué)教授Barry Sanders、德國海德堡大學(xué)理論物理學(xué)教授Matthias Weidemüller在2013年通過“千人計劃”受聘為中科大量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心教授。

同時，潘建偉小組也和國內(nèi)外多個實驗室建立合作。國際上有德國海德堡大學(xué)Matthias Weidemüller組、意大利Trento大學(xué)Sandro Stringari組、德國馬普量子光學(xué)所Immanuel Bloch組、英國劍橋大學(xué)Mete Atature組等，國內(nèi)有清華大學(xué)翟薈組、北京大學(xué)劉雄軍組等。

“這些年來隨著國家經(jīng)濟(jì)實力的增強(qiáng)，科技研發(fā)投入和人才引進(jìn)力度的增加，我國已經(jīng)開始在物理學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域不斷產(chǎn)生一些有意義的科學(xué)成果。對此我由衷地感到高興?！迸私▊フf。

2016年，對潘建偉團(tuán)隊來說將是非常關(guān)鍵的一年。作為我國第一個空間科學(xué)衛(wèi)星計劃“空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項”的重要分項之一，“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星（QUESS）”將于2016年發(fā)射。

從應(yīng)用的角度說，QUESS將進(jìn)行星地高速量子密鑰分發(fā)實驗，旨在促進(jìn)廣域乃至全球范圍量子通信的最終實現(xiàn);而從基礎(chǔ)研究的角度說，則可以在宏觀的距離上檢驗所謂的量子力學(xué)的非局域性，即在新的尺度區(qū)間里，量子糾纏的規(guī)律會不會有所變化。“如果發(fā)現(xiàn)對現(xiàn)有物理偏離，新的物理就產(chǎn)生了。對量子糾纏而言，它在宏觀的距離里面，會不會有什么變化，會不會受到引力的干擾，（通過QUESS）我們就可以對物理學(xué)的一些基本問題做一些檢驗，如果做得比較好，有可能發(fā)現(xiàn)一些新的物理。”潘建偉解釋道。

20世紀(jì)著名物理學(xué)家John Wheeler曾說道：“過去一百年間量子力學(xué)已經(jīng)給人類帶來了如此之多的重要發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，我們有理由相信在未來一百年間它還會給我們帶來更多激動人心的驚喜?！?/p>

潘建偉在不久前的一次論壇上引述這位世界物理學(xué)家對量子力學(xué)的期望，這或許也可視為他對自己工作的期待。

（本文轉(zhuǎn)自財新網(wǎng)）