量子信息科技在中國(guó)的發(fā)展
——以中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)為例

2019-07-18 08:58:46丁兆君

自然科學(xué)史研究 2019年4期

丁兆君

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技史與科技考古系，合肥 230026)

量子信息學(xué)是一門(mén)涉及量子物理與信息科學(xué)的交叉學(xué)科，主要包括量子計(jì)算、量子通信、量子密碼學(xué)等分支領(lǐng)域。其中量子通信指以量子比特為載體傳輸信息的技術(shù)，包括量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分發(fā)、量子密集編碼等。通常所說(shuō)的量子通信是指其中的量子密鑰分發(fā)(或稱(chēng)量子保密通信)，是目前最接近實(shí)用化的量子信息技術(shù)。量子物理提供了一種前所未有的對(duì)信息進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)、傳輸、調(diào)制的方式，在信息容量、運(yùn)算速度與安全等方面都突破了經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，量子信息科學(xué)與技術(shù)日益受到人們的廣泛關(guān)注。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，該領(lǐng)域更是在多個(gè)方向得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

中國(guó)量子信息科學(xué)從20世紀(jì)90年代起步。在二十多年內(nèi)，中國(guó)科學(xué)家在該學(xué)科的多個(gè)方面取得了系列成果，從當(dāng)初的跟蹤學(xué)習(xí)到如今活躍于國(guó)際最前沿。這是中國(guó)當(dāng)代科技史，乃至中國(guó)近百年科技發(fā)展中難得的案例之一。

1 學(xué)科發(fā)展的國(guó)際背景

愛(ài)因斯坦(A.Einstein，1879～1955)曾就量子力學(xué)的完備性，與玻爾(N.Bohr，1885～1962)展開(kāi)了多年激烈的爭(zhēng)論。1935年，他與波多爾斯基(B.Podalsky，1896～1966)、羅森(N.Rosen，1909～1995)合作，提出了被后世以他們姓氏首字母命名的“EPR悖論”。[1]他們假想一個(gè)不穩(wěn)定的靜止粒子衰變成兩部分，形成后來(lái)所謂的雙粒子糾纏態(tài)。當(dāng)對(duì)其中一個(gè)粒子的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，無(wú)論二者相距多遠(yuǎn)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)將被瞬間決定。這與經(jīng)典的定域?qū)嵲谡摯嬖跓o(wú)法調(diào)和的矛盾。同年，薛定諤(E.Schr?dinger，1887～1961)對(duì)量子力學(xué)提出更多詰難，包括以著名的生死疊加的“薛定諤貓”嘲笑量子力學(xué)的統(tǒng)計(jì)解釋?zhuān)教岢隽恕凹m纏”的概念。[2]

1982年，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼(R.Feynman，1918～1988)提出量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想[3]，企圖用計(jì)算的方式來(lái)模擬物理現(xiàn)象，將量子物理學(xué)與計(jì)算機(jī)理論聯(lián)系起來(lái)。此后關(guān)于量子比特及其算法的研究，及量子信息、量子計(jì)算、量子通信與量子傳輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展和突破。[4]隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，信息科學(xué)領(lǐng)域的保密與竅密之戰(zhàn)日益升級(jí)。傳統(tǒng)的RSA公鑰密碼系統(tǒng)(1)由R.Rivest、A.Shamir和L.Adelman三位提出者姓氏首字母命名，憑借分解因數(shù)與求解離散對(duì)數(shù)計(jì)算的復(fù)雜性來(lái)保障密碼安全。的安全性受到日益嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。1994年，美國(guó)應(yīng)用數(shù)學(xué)家肖爾(P.Shor, 1955～)提出分解因數(shù)與求解離散對(duì)數(shù)問(wèn)題的量子并行算法，可實(shí)現(xiàn)大數(shù)因子分解，從而能輕易攻破RSA公鑰密碼體系。[5]由于對(duì)量子系統(tǒng)的測(cè)量會(huì)破壞原有的量子態(tài)，因而量子密碼具有天然的防竅密屬性，以量子密鑰分發(fā)為核心的量子密碼學(xué)便應(yīng)運(yùn)而生。1984年，美國(guó)班尼特(C.Bennett，1943～)與加拿大布拉薩德(G.Brassard，1955～)提出第一個(gè)量子密碼通信方案——BB84協(xié)議，量子通信研究自此發(fā)端。[6]1992年，班尼特又提出了簡(jiǎn)化的B92協(xié)議[7]，并與他人合作，實(shí)驗(yàn)演示了量子密鑰分發(fā)。1997年，奧地利蔡林格(A.Zeilinger，1945～)小組在室內(nèi)首次完成量子隱形傳態(tài)的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[8]，被譽(yù)為量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的經(jīng)典之作。

以量子糾纏為中心，物理學(xué)家在理論與實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了多年的探索，在不斷證明量子力學(xué)的非定域性之外，也逐步將量子糾纏現(xiàn)象應(yīng)用于信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與物理學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域，使得與量子信息相關(guān)的科學(xué)與技術(shù)近年來(lái)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，且日益得到重視。目前，美國(guó)“國(guó)家量子計(jì)劃”法案已正式生效[9]，歐洲空間局的“空間量子技術(shù)”戰(zhàn)略報(bào)告明確提出了發(fā)射量子通信衛(wèi)星的計(jì)劃[10]，德國(guó)、意大利、俄羅斯、日本、英國(guó)和新加坡等國(guó)家也都先后啟動(dòng)了量子通信工程建設(shè)或正在醞釀著量子通信研究計(jì)劃。

2 積淀與起步

量子信息科學(xué)傳入中國(guó)，有賴(lài)于郭光燦(1942～)等幾位物理學(xué)家的努力。1965年，郭光燦畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中國(guó)科大”)無(wú)線(xiàn)電電子學(xué)系，之后留校工作。“文化大革命”期間，郭光燦就開(kāi)始從事激光研究。出于興趣，他很早就開(kāi)展起量子光學(xué)的探索。1983年，郭光燦赴美國(guó)羅徹斯特大學(xué)參加第5屆相干和量子光學(xué)會(huì)議。參會(huì)的還有在該校攻讀博士的鄧質(zhì)方(鄧小平次子)，在美國(guó)德克薩斯大學(xué)訪(fǎng)學(xué)的山西大學(xué)彭堃墀、謝常德夫婦，同在德州大學(xué)攻讀博士的中國(guó)科學(xué)院物理研究所的吳令安和南京大學(xué)的肖敏等其余7人。會(huì)議期間，幾位中青年華人學(xué)者共聚于鄧質(zhì)方家中，相約以后一起發(fā)展中國(guó)量子光學(xué)。[11]

1984年8月，郭光燦利用從學(xué)校申請(qǐng)到的2000元錢(qián)，組織召開(kāi)了第一次量子光學(xué)會(huì)議。這是中國(guó)量子光學(xué)發(fā)展的起點(diǎn)。量子光學(xué)會(huì)議此后每?jī)赡暾匍_(kāi)一次，一直延續(xù)至今。在郭光燦等人的努力下，中國(guó)物理學(xué)會(huì)于1990年成立量子光學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，掛靠在中國(guó)科大。在召開(kāi)學(xué)術(shù)會(huì)議之外，郭光燦開(kāi)始從事量子光學(xué)的教學(xué)工作。他利用在國(guó)外進(jìn)修期間所學(xué)到的知識(shí)與搜集的資料，編寫(xiě)出量子光學(xué)講義(2)該講義后來(lái)正式出版，參見(jiàn)郭光燦：量子光學(xué)，北京：高等教育出版社，1990年。，開(kāi)設(shè)了量子光學(xué)課程，并開(kāi)始培養(yǎng)量子光學(xué)方向的研究生。除了本校的研究生外，在中國(guó)科大代培的中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)很多低年級(jí)的研究生在郭光燦的課堂上接受了量子光學(xué)的教育。

相對(duì)成熟的學(xué)科，往往難以取得很大的進(jìn)步。在量子光學(xué)的研究過(guò)程中，郭光燦一直尋找新的突破點(diǎn)。當(dāng)量子信息這一新興學(xué)科在國(guó)際上悄然萌發(fā)之時(shí)，他敏銳地意識(shí)到量子信息的發(fā)展前景，遂帶領(lǐng)自己的研究生，全部投入到這個(gè)新領(lǐng)域中，并以量子密碼為切入點(diǎn)展開(kāi)研究。[11]得益于前期量子光學(xué)研究的基礎(chǔ)，郭光燦團(tuán)隊(duì)在量子信息方面的研究很快取得了成果。

1994年，中國(guó)科大本科畢業(yè)的段路明開(kāi)始師從郭光燦攻讀博士學(xué)位，從事量子信息和量子光學(xué)的理論研究。1997年，他們師生合作，在國(guó)際上首先提出量子避錯(cuò)編碼的方法，用于克服量子計(jì)算的一個(gè)最主要障礙——消相干問(wèn)題。其原理后來(lái)被美國(guó)幾個(gè)研究組實(shí)驗(yàn)證實(shí)，從而被推廣為無(wú)消相干子空間，用來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠的量子計(jì)算。避錯(cuò)、糾錯(cuò)與防錯(cuò)，被認(rèn)為是國(guó)際學(xué)術(shù)界三種不同原理的量子編碼方案。1998年，他們又提出量子概率克隆原理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。量子概率克隆能以不為零的概率精確克隆量子信息，被學(xué)術(shù)界稱(chēng)為“段-郭克隆機(jī)”，其最大克隆效率被稱(chēng)為“段-郭界限”。他們還研制成功兩類(lèi)量子克隆機(jī)，這一成果被國(guó)際同行稱(chēng)為當(dāng)年該領(lǐng)域最激動(dòng)人心的一項(xiàng)進(jìn)展。[12]2000年，郭光燦團(tuán)隊(duì)提出一種易于克服光腔消相干影響的量子處理器，利用光腔實(shí)現(xiàn)兩個(gè)原子糾纏。隨后，法國(guó)的哈羅切(S.Haroche， 1944～)(3)2012年，哈羅切因“發(fā)現(xiàn)測(cè)量和操控單個(gè)量子系統(tǒng)的突破性實(shí)驗(yàn)方法”獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。實(shí)驗(yàn)證明了他們的方案。(4)丁兆君對(duì)郭光燦院士的訪(fǎng)談，2019年1月30日上午，中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭光燦院士辦公室。

潘建偉(1970～)于1992年本科畢業(yè)于中國(guó)科大近代物理系，之后師從張永德攻讀研究生，并于1995年獲得碩士學(xué)位后留校任教。翌年，潘建偉赴奧地利茵斯布魯克大學(xué)蔡林格門(mén)下攻讀博士學(xué)位。在此期間，潘建偉參與了蔡林格小組被譽(yù)為量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域經(jīng)典之作的量子隱形傳態(tài)的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，為發(fā)表于英國(guó)《自然》雜志的研究論文第二作者，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量和處理工作。該文于1997年被歐洲物理學(xué)會(huì)、美國(guó)物理學(xué)會(huì)雙雙評(píng)為國(guó)際物理學(xué)十大進(jìn)展之一，1999年被《自然》雜志譽(yù)為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”之一。獲得維也納大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理博士學(xué)位后，潘建偉繼續(xù)留在蔡林格小組做博士后研究助理、高級(jí)研究員、聯(lián)合PI。

杜江峰(1969～)于1985年考入中國(guó)科大少年班，1990年畢業(yè)于近代物理系后留校工作，之后在職攻讀本校研究生，1997年、2000年先后獲碩士、博士學(xué)位。1998年，他選擇量子信息作為研究方向，致力于用核磁共振方法進(jìn)行量子計(jì)算研究。當(dāng)時(shí)杜江峰既無(wú)實(shí)驗(yàn)條件又無(wú)科研經(jīng)費(fèi)，購(gòu)買(mǎi)第一個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品僅花費(fèi)66元。在這種情況下，學(xué)校的科研平臺(tái)發(fā)揮了重要作用。當(dāng)時(shí)全校僅生物系有一臺(tái)可用的核磁共振譜儀。杜江峰不僅被允許跨系借用這臺(tái)譜儀，在遇到困難時(shí)，還會(huì)得到鼓勵(lì)與幫助，終于成功地完成了自己的實(shí)驗(yàn)研究。[14]如今，郭光燦、杜江峰、潘建偉3位工作于量子信息領(lǐng)域的物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士，被公眾以他們的姓氏漢語(yǔ)拼音首字母戲稱(chēng)為中國(guó)科大的“GDP”。

此外特別值得一提的是，彭堃墀夫婦回國(guó)后組建了山西大學(xué)光電研究所。該所先后被批準(zhǔn)為山西省、教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。吳令安回國(guó)后，在實(shí)驗(yàn)室完成了量子密碼通信的原理性實(shí)驗(yàn)。這是中國(guó)最早的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)演示。中科院系統(tǒng)還有其他一些量子信息方面的研究工作，如武漢物理與數(shù)學(xué)研究所的詹明生在基于原子的量子信息方面開(kāi)展了研究，本文不作詳述。

3 世紀(jì)之交的轉(zhuǎn)機(jī)

郭光燦在開(kāi)始量子信息研究之初，因條件限制，只能做些理論工作。1998年，在錢(qián)學(xué)森、王大珩的支持下，郭光燦在香山科學(xué)會(huì)議上作了關(guān)于量子信息的主題報(bào)告，引起學(xué)術(shù)界的重視。1999年，郭光燦在中國(guó)科大建立量子通信與量子計(jì)算開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室。2001年，該室成為中科院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。(5)2005年，該室更名為中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。同年，他連續(xù)申報(bào)幾年的國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(科技部973計(jì)劃)項(xiàng)目終于獲批。(6)丁兆君對(duì)郭光燦院士的訪(fǎng)談，2019年1月30日上午，中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭光燦院士辦公室。

由郭光燦任首席科學(xué)家的“量子通信與量子信息技術(shù)”項(xiàng)目研究重點(diǎn)在量子密碼、量子因特網(wǎng)、量子計(jì)算和量子信息物理學(xué)等方面，經(jīng)費(fèi)2500萬(wàn)元。該項(xiàng)目把國(guó)內(nèi)多個(gè)研究單位可能做量子信息研究的幾乎所有人都組織起來(lái)(如表1所示)，[15]其中包括已自美回國(guó)的吳令安與彭堃墀、謝常德夫婦，還在奧地利、已聲名鵲起的潘建偉，以及詹明生、杜江峰等。至2006年9月項(xiàng)目驗(yàn)收，先后有252人參加了該項(xiàng)目的研究。

表1 973項(xiàng)目“量子通信與量子信息技術(shù)”研究團(tuán)隊(duì)

續(xù)表1

“量子通信與量子信息技術(shù)”項(xiàng)目的實(shí)施成為中國(guó)量子信息研究的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，項(xiàng)目組的多位成員后來(lái)在相關(guān)領(lǐng)域都做出了重要的研究工作。郭光燦、彭堃墀、孫昌璞、潘建偉、杜江峰先后因量子信息的相關(guān)研究獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)，并當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士。

就在郭光燦973項(xiàng)目申報(bào)成功的2001年，潘建偉回到中國(guó)科大，通過(guò)“百人計(jì)劃”，得到了中科院高強(qiáng)度的經(jīng)費(fèi)支持。在中科院、基金委與科技部的經(jīng)費(fèi)支持下，潘建偉開(kāi)始組建自己的量子物理與量子信息實(shí)驗(yàn)室，組織科研隊(duì)伍，楊濤、陳增兵、趙志等先后加入了他的研究團(tuán)隊(duì)。經(jīng)中科院與中國(guó)科大批準(zhǔn)，在國(guó)內(nèi)組建實(shí)驗(yàn)室的同時(shí)，潘建偉還繼續(xù)在維也納大學(xué)從事多光子糾纏方面的合作研究，“兩邊跑”。(7)“改革先鋒進(jìn)校園”潘建偉院士報(bào)告，2019年1月10日，中國(guó)科大理化大樓西三報(bào)告廳。其間完成的“自由量子態(tài)隱形傳輸”實(shí)驗(yàn)被歐洲物理學(xué)會(huì)評(píng)為2003年國(guó)際物理學(xué)十大進(jìn)展之一。

據(jù)潘建偉回憶(8)“改革先鋒進(jìn)校園”潘建偉院士報(bào)告，2019年1月10日，中國(guó)科大理化大樓西三報(bào)告廳。，他與擅長(zhǎng)電子學(xué)的同學(xué)楊濤進(jìn)行了積極的合作。在歐洲時(shí)，他每天打電話(huà)回國(guó)，“遙控”儀器設(shè)備的調(diào)試與實(shí)驗(yàn)室籌備的各種工作。潘建偉光學(xué)基礎(chǔ)扎實(shí)，而電子學(xué)與計(jì)算機(jī)編程等方面的困難在國(guó)外同學(xué)的幫助下也逐一克服。然后他通過(guò)電話(huà)告訴國(guó)內(nèi)同事，進(jìn)行“知識(shí)的大搬運(yùn)”。到2003年，其國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)基本完成了量子光學(xué)方面的知識(shí)積累。但他發(fā)現(xiàn)，要做大規(guī)模的量子信息處理，包括量子計(jì)算與量子保密通信，其團(tuán)隊(duì)尚缺量子存儲(chǔ)的技術(shù)。而當(dāng)時(shí)德國(guó)海德堡大學(xué)施米德邁耶(J.Schmiedmayer, 1960～)團(tuán)隊(duì)掌握著領(lǐng)先的超冷原子技術(shù)。于是，從2003年7月起，在學(xué)校與主管部門(mén)的支持下，潘建偉又以客座教授身份到德國(guó)海德堡大學(xué)從事量子存儲(chǔ)方面的合作研究。其間，潘建偉成功申請(qǐng)到德國(guó)、歐盟幾項(xiàng)科研基金，達(dá)400萬(wàn)歐元。在德國(guó)期間，乃至以后，潘建偉從國(guó)內(nèi)吸引了多位年輕學(xué)者一起進(jìn)行量子信息領(lǐng)域的學(xué)習(xí)與研究，繼續(xù)組建并發(fā)展壯大量子信息研究的中國(guó)團(tuán)隊(duì)(如表2)，以期將超冷原子技術(shù)引回國(guó)內(nèi)。

表2 在德國(guó)海德堡大學(xué)學(xué)習(xí)、工作過(guò)的潘建偉團(tuán)隊(duì)成員(9)根據(jù)中國(guó)科大網(wǎng)頁(yè)整理，見(jiàn)：http://quantum.ustc.edu.cn/。

續(xù)表2

有了充足的經(jīng)費(fèi)支持，除在海德堡組建團(tuán)隊(duì)外，潘建偉還先后派出多位青年學(xué)者到德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)、瑞士、奧地利等量子信息研究領(lǐng)域某個(gè)方向國(guó)際領(lǐng)先的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)與研究。

2008年10月，在量子存儲(chǔ)與量子中繼技術(shù)領(lǐng)域已處國(guó)際領(lǐng)先的潘建偉團(tuán)隊(duì)，連同他們?cè)诤５卤ご髮W(xué)的4個(gè)實(shí)驗(yàn)室的裝置，整體回歸中國(guó)科大。借助“百人計(jì)劃”、“青年千人計(jì)劃”等人才計(jì)劃，在量子信息領(lǐng)域各個(gè)方向?qū)W有所長(zhǎng)的潘建偉團(tuán)隊(duì)成員陸續(xù)回歸，包括做冷原子物理的陳帥、苑震生、陳宇翱，做量子點(diǎn)的陸朝陽(yáng)，做單光子探測(cè)器的張強(qiáng)、張軍，做光量子通信和量子計(jì)算的陳凱、包小輝，做理論的趙博、鄧友金，等等。[16]憑借良好的光操縱技術(shù)基礎(chǔ)，以及從德國(guó)學(xué)到的冷原子技術(shù)、從瑞士學(xué)到的探測(cè)器技術(shù)、從美國(guó)斯坦福大學(xué)學(xué)到的量子器件技術(shù)、從麻省理工學(xué)院學(xué)到的精密測(cè)量技術(shù)……，潘建偉團(tuán)隊(duì)已在量子信息的多個(gè)方面掌握了國(guó)際領(lǐng)先的前沿科學(xué)技術(shù)。到2011年，潘建偉所派出的學(xué)生全部按計(jì)劃回國(guó)，形成了一個(gè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的團(tuán)隊(duì)。(10)“改革先鋒進(jìn)校園”潘建偉院士報(bào)告，2019年1月10日，中國(guó)科大理化大樓西三報(bào)告廳。

杜江峰在利用核磁共振所做的首個(gè)實(shí)驗(yàn)成功之后，通過(guò)從學(xué)校借得一筆經(jīng)費(fèi)，開(kāi)展后續(xù)研究。[14]2001年，他成功申請(qǐng)了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“混合量子態(tài)糾纏現(xiàn)象研究”；2004年，他又成功申請(qǐng)基金委杰出青年基金項(xiàng)目“經(jīng)典物理學(xué)和量子理論”。通過(guò)幾年的努力，杜江峰的研究成果日漸突出。

此外，2002年，以彭堃墀夫婦經(jīng)營(yíng)十多年的光電研究所為主體，山西大學(xué)建成量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。彭堃墀團(tuán)隊(duì)在連續(xù)變量量子信息研究中取得一系列原創(chuàng)性成果。2003年，彭堃墀與郭光燦一起當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士。2006年，彭堃墀夫婦團(tuán)隊(duì)因“糾纏態(tài)光場(chǎng)及連續(xù)變量量子通信研究”獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

4 蓬勃發(fā)展——以中國(guó)科大為例

作為一個(gè)新興科技領(lǐng)域，量子信息的發(fā)展還存在著諸多問(wèn)題，尤其是關(guān)于量子通信的安全、有效性等方面，甚至在科學(xué)界都還爭(zhēng)議不斷。但不可否認(rèn)，在如前所述的發(fā)展基礎(chǔ)上，近十多年來(lái)，中國(guó)的量子信息科學(xué)與技術(shù)在多個(gè)方面取得長(zhǎng)足進(jìn)展。多所高等院校與研究院所都組建了量子信息的研究團(tuán)隊(duì)，并各自做出獨(dú)具特色的研究工作，中國(guó)科大則因長(zhǎng)期的積淀尤為突出。

段路明于2003年到美國(guó)密歇根大學(xué)任教，后回國(guó)任清華大學(xué)教授。而郭光燦團(tuán)隊(duì)的規(guī)模和實(shí)力仍隨量子信息科技的發(fā)展而不斷壯大。在段路明之后，李傳鋒、郭國(guó)平、周正威等青年學(xué)者先后脫穎而出。

在量子保密通信實(shí)驗(yàn)探索方面，2002年，郭光燦團(tuán)隊(duì)在中國(guó)科大東西校區(qū)之間往返6.4公里的光纖上實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)。同年，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)吉辛(N.Gisin，1952～)小組在湖底光纜中實(shí)現(xiàn)67公里量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。2004年，東芝劍橋研究實(shí)驗(yàn)室一小組將這個(gè)距離提高到122公里。2005年，郭光燦小組又在北京和天津之間實(shí)現(xiàn)了125公里光纖的量子密鑰分發(fā)演示性實(shí)驗(yàn)。這是當(dāng)時(shí)國(guó)際上量子密鑰分發(fā)的最長(zhǎng)距離。2007年，郭光燦團(tuán)隊(duì)利用波分復(fù)用技術(shù)，設(shè)計(jì)出國(guó)際上首個(gè)量子路由器，解決了量子信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)尋址的難題，并在北京網(wǎng)通的商用光纖上實(shí)現(xiàn)了40公里范圍內(nèi)4用戶(hù)的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，完成世界上首個(gè)無(wú)中轉(zhuǎn)、任意互通的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)。2009年，郭光燦團(tuán)隊(duì)利用單向量子保密通信方案與設(shè)備，以及量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的核心組網(wǎng)技術(shù)，在安徽蕪湖建成世界首個(gè)量子政務(wù)網(wǎng)，用于傳送保密文件等。2011年，該團(tuán)隊(duì)又研制成功從合肥到蕪湖200千米的城際量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)。

2011年，郭光燦團(tuán)隊(duì)成功制備八光子糾纏態(tài)，由此完成八方量子通信復(fù)雜性實(shí)驗(yàn)。2012年，該團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了量子惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)，制備出粒子和波的疊加狀態(tài)。同年，該組還實(shí)現(xiàn)了光子偏振態(tài)的固態(tài)量子存儲(chǔ)，保真度達(dá)99.9%，為世界最高水平。2013年，郭光燦團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了攜帶軌道角動(dòng)量且具有空間結(jié)構(gòu)的單光子脈沖在冷原子系綜中的存儲(chǔ)與釋放，證明了建立高維量子存儲(chǔ)單元的可行性，向基于高維量子中繼器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大信息量量子信息傳輸邁進(jìn)了一步。

潘建偉自2001年回國(guó)組建團(tuán)隊(duì)以來(lái)，在多光子糾纏與干涉和量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)、量子信息處理關(guān)鍵技術(shù)和重要算法、面向?qū)嵱没Ｃ芰孔油ㄐ诺墓饬孔觽鬏數(shù)榷鄠€(gè)方面取得了系列成果。(11)參考安徽省、中國(guó)科學(xué)院2015年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)推薦書(shū)(多光子糾纏干涉度量學(xué))。

在多粒子糾纏態(tài)制備方面，潘建偉團(tuán)隊(duì)于2004年實(shí)現(xiàn)對(duì)五光子糾纏的操縱，到2018年已實(shí)現(xiàn)了18個(gè)光量子比特超糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備和嚴(yán)格多體純糾纏的驗(yàn)證；此外還通過(guò)系列工作，利用光子多自由度的糾纏揭示了量子力學(xué)非定域性與愛(ài)因斯坦定域?qū)嵲谡撝g的矛盾。

在量子隱形傳態(tài)方面，潘建偉團(tuán)隊(duì)先后完成終端開(kāi)放的量子隱形傳態(tài)、基于多光子糾纏的量子態(tài)遠(yuǎn)程克隆、對(duì)兩粒子復(fù)合系統(tǒng)量子態(tài)的隱形傳輸、基于自由空間的100公里距離量子隱形傳態(tài)和多自由度量子體系的隱形傳態(tài)。

在量子計(jì)算方面，潘建偉團(tuán)隊(duì)先后實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立單光子間的非破壞性控制非門(mén)(CNOT)、利用光子超糾纏簇態(tài)的量子搜索算法、肖爾大數(shù)分解算法的實(shí)驗(yàn)演示、線(xiàn)性方程組的量子算法和針對(duì)多光子玻色取樣任務(wù)的光量子計(jì)算原型機(jī)的構(gòu)建。

在量子模擬、量子糾錯(cuò)和量子測(cè)量方面，潘建偉團(tuán)隊(duì)先后完成任意子分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)象及其拓?fù)湫再|(zhì)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)、量子容失編碼的實(shí)驗(yàn)演示、基于八光子糾纏簇態(tài)的拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)，并利用自備的超糾纏態(tài)展示了量子精密測(cè)量。

在保密量子通信方面，從基于光纖的百公里級(jí)，到基于量子中繼器的大尺度，再到超遠(yuǎn)距離，潘建偉團(tuán)隊(duì)更是取得了諸多進(jìn)展。他們先后實(shí)現(xiàn)光纖通信中抗干擾的量子密碼分配方案、測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的安全量子密鑰分發(fā)，演示了光量子電話(huà)通信網(wǎng)絡(luò)；實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了糾纏濃縮和實(shí)用化量子中繼器方法，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命、高讀出效率的量子存儲(chǔ)；實(shí)現(xiàn)了從13公里、16公里到百公里量級(jí)的自由空間量子態(tài)隱形傳輸與量子密鑰分發(fā)。

2016年，以潘建偉為首席科學(xué)家的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射升空；2017年，潘建偉團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的量子保密通信“京滬干線(xiàn)”正式開(kāi)通，并結(jié)合其與“墨子號(hào)”的天地鏈路，成功演示了北京與奧地利維也納之間的洲際量子保密通信；同年，潘建偉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合其他研究組利用“墨子號(hào)”在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了空間尺度嚴(yán)格滿(mǎn)足“愛(ài)因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)，且實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)星地量子密鑰分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)。

杜江峰一直致力于基于磁共振技術(shù)的量子計(jì)算及相關(guān)基本物理問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究。2002年，杜江峰研究小組首次實(shí)現(xiàn)了量子博弈實(shí)驗(yàn)研究，不僅從理論上破解了納什(John Nash，1928～2015)博弈論的經(jīng)典案例——“囚徒困境”，還通過(guò)核磁共振設(shè)備成功驗(yàn)證了理論預(yù)言。

2003年，杜江峰團(tuán)隊(duì)首次成功觀(guān)測(cè)到任意量子態(tài)的幾何相，為實(shí)現(xiàn)高精度、低噪聲、自容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)指出了一個(gè)新的方向。

最優(yōu)動(dòng)力學(xué)解耦可以消去電子自旋與環(huán)境中核自旋之間的耦合，從而有效保持量子相干性。2009年，杜江峰團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)動(dòng)力學(xué)解耦方案，用最多7個(gè)微波脈沖把丙二酸中的電子自旋的相干時(shí)間從不足4×10-8秒提高到近3×10-5秒，從而滿(mǎn)足一些量子計(jì)算任務(wù)的需要，為用固態(tài)材料研制出能在室溫下使用的量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，他們還首次實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)了一個(gè)同時(shí)包含二體和三體相互作用的復(fù)雜量子體系基態(tài)的糾纏量子相變過(guò)程，采用量子糾纏見(jiàn)證的手段探測(cè)了由于三體相互作用導(dǎo)致的一類(lèi)新的量子相變，為量子模擬實(shí)驗(yàn)研究奠定了一定基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)磁共振技術(shù)通常只能測(cè)量毫米尺度以上百億個(gè)分子系綜的統(tǒng)計(jì)平均性質(zhì)，無(wú)法對(duì)單個(gè)分子進(jìn)行直接測(cè)量。2015年，杜江峰團(tuán)隊(duì)使用最新的量子操控技術(shù)，基于鉆石量子探針和自旋量子干涉儀探測(cè)原理，實(shí)現(xiàn)了單分子磁共振的突破。他們首次獲取了直徑約5納米的單個(gè)蛋白質(zhì)分子的順磁共振譜，解析出其動(dòng)力學(xué)信息，成功將電子順磁共振技術(shù)分辨率從毫米推進(jìn)到納米，靈敏度從1010分子推進(jìn)到單個(gè)分子。

電子順磁共振是利用不配對(duì)電子的磁矩而發(fā)展出的磁共振技術(shù)，可用于檢測(cè)分子、原子中所含的不配對(duì)電子，并探索其外部環(huán)境的結(jié)構(gòu)特性。近幾年來(lái)，在國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專(zhuān)項(xiàng)等基金的資助下，杜江峰團(tuán)隊(duì)研制成功了中國(guó)第一臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高功率脈沖X波段順磁共振譜儀。

除中國(guó)科大之外，山西大學(xué)、清華大學(xué)、華東師范大學(xué)、中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所等幾個(gè)規(guī)模相對(duì)較大的量子信息研究團(tuán)隊(duì)，以及北京大學(xué)、南京大學(xué)、上海交大、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中山大學(xué)等多所高校的相關(guān)研究人員也都在量子信息理論與實(shí)驗(yàn)研究的多個(gè)方面取得了不凡的成績(jī)，限于篇幅，本文不再一一詳述，留待以后另文討論。

以中國(guó)科大郭光燦、潘建偉、杜江峰等為代表的中國(guó)科學(xué)家在量子信息領(lǐng)域的工作受到了國(guó)際同行的廣泛關(guān)注與贊譽(yù)。無(wú)論在量子密碼、量子計(jì)算、量子通信，還是在量子信息的其他方面，中國(guó)科學(xué)家的工作比起國(guó)際同行都已不算遜色。而在基于量子衛(wèi)星的超遠(yuǎn)距離保密量子通信方面，中國(guó)科學(xué)家更是先行一步，令世界矚目。英國(guó)《自然》雜志、美國(guó)《科學(xué)》雜志與《物理評(píng)論快報(bào)》等世界頂級(jí)科學(xué)期刊頻頻發(fā)表中國(guó)量子信息科學(xué)家的工作。英國(guó)《新科學(xué)家》(NewScientist)雜志曾言，合肥一向以豆腐和芝麻餅而不是前沿物理著稱(chēng)，潘建偉和他的同事們正在改變這種狀況，并已將中國(guó)科大乃至整個(gè)中國(guó)牢牢置于量子計(jì)算的版圖上。[17]2012年，潘建偉團(tuán)隊(duì)的研究成果入選英國(guó)《自然》雜志“年度十大科技亮點(diǎn)后”，評(píng)論人稱(chēng)，這將證實(shí)中國(guó)在這一領(lǐng)域的崛起，從十年多前不起眼的國(guó)家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅。[18]

5 結(jié) 語(yǔ)

自從西方科學(xué)傳入以來(lái)，中國(guó)長(zhǎng)期處于跟跑階段，鮮有在前沿科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域做出引領(lǐng)性自發(fā)創(chuàng)新。而近年來(lái)，隨著國(guó)力的日益強(qiáng)盛，中國(guó)原創(chuàng)性科技成就不斷涌現(xiàn)，量子信息研究領(lǐng)域就是其中的典型代表。中國(guó)科學(xué)家在這一國(guó)際前沿領(lǐng)域研究中做出了舉世矚目的成就，甚至走在國(guó)際同行的前列。這是現(xiàn)代中國(guó)，尤其是改革開(kāi)放之后的一個(gè)成功的科技史案例，在引起廣泛關(guān)注的同時(shí)，也不免引發(fā)人們思考：中國(guó)的量子信息科技，為何能夠做到起步晚、進(jìn)步快？

楊振寧(1922～)曾于1982年提出，中國(guó)的物理學(xué)科傾向于兩個(gè)極端：原理的研究或產(chǎn)品的研究，介于這二者之間的發(fā)展性研究卻沒(méi)有引起足夠重視。而在科技最發(fā)達(dá)的美國(guó)，主要來(lái)自貝爾實(shí)驗(yàn)室之類(lèi)大企業(yè)附設(shè)研究機(jī)構(gòu)的發(fā)展性研究經(jīng)費(fèi)約等于原理性研究經(jīng)費(fèi)總和的10倍。[19]量子信息既可以在短期內(nèi)發(fā)展出解決現(xiàn)實(shí)需求的產(chǎn)品，又可以解決量子力學(xué)基本問(wèn)題，正屬于楊振寧所說(shuō)的亟需重視的發(fā)展性學(xué)科。中國(guó)雖然缺乏可以提供發(fā)展性研究經(jīng)費(fèi)的大企業(yè)附設(shè)研究機(jī)構(gòu)，但特有的國(guó)家科技體制在集中力量辦大事上更有優(yōu)勢(shì)。正是由于國(guó)家的重視，科技部、中科院、基金委的支持，才使得量子信息這一發(fā)展性學(xué)科在中國(guó)獲得超乎尋常的發(fā)展。當(dāng)然，這與科學(xué)家個(gè)人的科學(xué)預(yù)見(jiàn)與選題不無(wú)關(guān)系。只有根據(jù)自己的學(xué)術(shù)興趣與基礎(chǔ)，立足于國(guó)家需求，選擇可能有突破性的前沿領(lǐng)域來(lái)確定自己的研究目標(biāo)，才能充分發(fā)揮自己的才干，并獲得國(guó)家的大力支持，“彎道超車(chē)”，兩頭兼顧，為基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展，也為實(shí)用技術(shù)進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。

一門(mén)新科學(xué)，一個(gè)新領(lǐng)域，一種新理論，在形成、發(fā)展的早期，大多避免不了“冷門(mén)”階段，只有出于對(duì)科學(xué)的強(qiáng)烈興趣與求知的強(qiáng)大動(dòng)力，頑強(qiáng)拼搏者，才能比別人早一步摘得科學(xué)的碩果。對(duì)于郭光燦而言，不畏“冷門(mén)”、勇于開(kāi)拓新的領(lǐng)域尤其重要。無(wú)論是他在20世紀(jì)80年代開(kāi)始的量子光學(xué)研究，還是在90年代率先投入其中的量子信息研究，在國(guó)內(nèi)都是“冷門(mén)”，不僅不被看好，還遭人排斥、反對(duì)。但郭光燦堅(jiān)持自己的選擇，沿著“冷門(mén)”一往無(wú)前，終于開(kāi)拓出一片新天地，“冷門(mén)”逐漸變成了“熱門(mén)”。

潘建偉的成功，則得益于其所受的世界前沿的科學(xué)培養(yǎng)及因而形成的國(guó)際化的學(xué)術(shù)視野與“借雞生蛋”的團(tuán)隊(duì)發(fā)展戰(zhàn)略。師從量子信息領(lǐng)域開(kāi)拓者，參與開(kāi)創(chuàng)性的研究工作，使潘建偉“出道”伊始，就處于一個(gè)較高的學(xué)術(shù)起點(diǎn)。博士畢業(yè)就已經(jīng)在國(guó)內(nèi)脫穎而出，這對(duì)于潘建偉此后在科研道路上連續(xù)受到國(guó)家多部委的支持發(fā)揮了重要的作用，也對(duì)量子信息科技在中國(guó)的蓬勃發(fā)展產(chǎn)生了積極影響。而他借助多方面的科學(xué)基金與科研平臺(tái)，培養(yǎng)自己的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)，并在學(xué)成之后整體回歸，這個(gè)戰(zhàn)略選擇為日后該團(tuán)隊(duì)爆發(fā)性的科研成果產(chǎn)出奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

中國(guó)量子信息科技能在中國(guó)起步，首先有賴(lài)于郭光燦、彭堃墀、吳令安等先行者在國(guó)內(nèi)從無(wú)到有、從量子光學(xué)到量子信息的開(kāi)拓、探索。尤其是郭光燦團(tuán)隊(duì)早期幾項(xiàng)重要成果的產(chǎn)出及此后973項(xiàng)目的申報(bào)成功，開(kāi)啟了中國(guó)量子信息研究的新篇章。而潘建偉因參與了世界前沿的工作，以及該團(tuán)隊(duì)一系列科研成果的涌現(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者及其所屬的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的引領(lǐng)、示范作用，對(duì)于量子信息科技在中國(guó)的發(fā)揚(yáng)光大發(fā)揮了重要的、積極的影響。

需要強(qiáng)調(diào)的是，郭光燦、潘建偉、杜江峰這3位中國(guó)量子信息領(lǐng)域的重要學(xué)者同樣出自中國(guó)科大也并非偶然。該校一向秉承自由、開(kāi)放、創(chuàng)新、包容的傳統(tǒng)。[20]對(duì)于“冷門(mén)”領(lǐng)域的支持，使得郭光燦能從學(xué)校借錢(qián)籌辦量子光學(xué)會(huì)議、籌建實(shí)驗(yàn)室；對(duì)于青年學(xué)者的信任、支持使得潘建偉能夠兼顧兩頭，最終“引鳳回巢”；濃厚的學(xué)術(shù)氛圍與開(kāi)放的學(xué)術(shù)平臺(tái)使得長(zhǎng)期從事行政工作的杜江峰能夠憑借自己的學(xué)術(shù)功底與科學(xué)預(yù)見(jiàn)，適時(shí)參與了一個(gè)新興學(xué)科的發(fā)展并取得優(yōu)秀成果。另外，學(xué)校在考慮發(fā)展哪些學(xué)科時(shí)的選擇，打破傳統(tǒng)的障礙，最大限度地聚集資源，培育新學(xué)科，使得產(chǎn)生一批杰出量子科學(xué)家成為可能。[21]據(jù)筆者統(tǒng)計(jì)，2003年以來(lái)，中國(guó)科大在量子信息科技方面的成果入選國(guó)際物理學(xué)十大進(jìn)展、中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞、中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究十大新聞(中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展)、中國(guó)高等學(xué)校十大科技進(jìn)展等科學(xué)排行榜40余次，幾乎包攬了國(guó)內(nèi)量子信息領(lǐng)域的此類(lèi)榮耀。正如郭光燦所說(shuō)：“我要讓你承認(rèn)我，我就要做得比你好的多。否則我們沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，我們不在北京……”(12)丁兆君對(duì)郭光燦院士的訪(fǎng)談，2019年1月30日上午，中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭光燦院士辦公室。如今地處合肥的中國(guó)科大在量子信息的世界版圖上已經(jīng)占據(jù)了一席之地。

在科學(xué)后發(fā)國(guó)家，向發(fā)達(dá)國(guó)家學(xué)習(xí)、參與國(guó)際交流是發(fā)展科學(xué)的必由之路。而如何在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，做出原始創(chuàng)新，則是一個(gè)普遍面臨的難題。只有根據(jù)學(xué)科領(lǐng)域國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)，結(jié)合本國(guó)政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等科學(xué)發(fā)展的環(huán)境因素，審時(shí)度勢(shì)，搶抓機(jī)遇，通過(guò)合理組建人才團(tuán)隊(duì)、科學(xué)選擇突破方向、大力爭(zhēng)取外部支持，力爭(zhēng)上游，才有可能實(shí)現(xiàn)最終的脫穎而出。當(dāng)然，這與個(gè)人的智力水平與努力程度、團(tuán)隊(duì)的結(jié)構(gòu)與合作方式等多種因素都有關(guān)系，甚至還有一定程度的“運(yùn)氣”成分存在。中國(guó)量子信息研究雖然介入稍晚，但在國(guó)家的支持下，通過(guò)以中國(guó)科大郭光燦、潘建偉、杜江峰等為代表的科學(xué)家的努力，仍為學(xué)科理論的完善、實(shí)驗(yàn)水平的提高、實(shí)用技術(shù)的進(jìn)步做出了在本階段引領(lǐng)國(guó)際前沿發(fā)展的諸多重要貢獻(xiàn)。這不僅給廣大科技工作者以啟發(fā)與激勵(lì)，也為發(fā)展中國(guó)家前沿科技領(lǐng)域的發(fā)展提供了一個(gè)可資參考與借鑒的范例。