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潘建伟:让量子信息技术领跑世界
编辑:诸玲珍
 
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潘建伟:让量子信息技术领跑世界

本报记者 刘晶
 

2016年8月16日,世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”升空,它实现了卫星和地面之间的首次量子通信,也使主导量子通信科研的物理学家、中国科学院院士、中国科技大学常务副校长潘建伟从实验室中走到公众面前,让更多的人了解到中国在科学前沿技术——量子通信中达到了世界一流水平。2018年12月18日,潘建伟再次成为公众焦点。在北京召开的改革开放40周年大会上,潘建伟以“量子信息研究的创新者”的身份荣获“改革先锋”称号。

从量子论中脱颖而出的中国学者

潘建伟,1970年生于浙江东阳。1987—1995年在中国科学技术大学学习,先后获理论物理专业学士和硕士学位。1996年赴奥地利学习,1999年获维也纳大学实验物理博士学位,1999—2001年在维也纳大学实验物理所从事博士后研究。2008年入选中组部首批“千人计划”。2011年11月当选为中国科学院院士。2012年9月当选为发展中国家科学院院士。中科院量子科学实验卫星先导专项首席科学家。

量子论与相对论被称为“现代物理学的两大支柱”。27年前,作为中国科学技术大学一名普通本科生的潘建伟,却在毕业论文中向量子力学发起挑战,试图证明这个理论“是错的”。改革开放使中国迎来了“科学的春天”,释放了无数年轻人“求真”的热望与勇气,潘建伟就是其中之一。

在中国科学技术大学学习期间,潘建伟第一次领略到量子世界的奇妙。

世界上是否存在瞬间感应?相隔甚远的两个物体是否可以瞬间影响彼此的行为?这听上去很荒诞,但在量子物理世界中,两个纠缠起来的微观粒子不论相隔多远,都能瞬间“感受”到对方的状态,这种感应就是一百多年来物理学家们争论不休的量子纠缠。被爱因斯坦称为“鬼魅般超距作用”的量子纠缠,一次次被实验证明了其真实存在性,同时它也被挖掘出应用于保密通信上的价值,即量子通信。

但随着研究的深入,潘建伟意识到量子理论中的各种奇特现象需要更加尖端的实验技术和条件才能够得到验证,而当时国内在这方面还相对落后。于是1996年潘建伟来到奥地利因斯布鲁克大学,师从奥地利物理学家Anton Zeilinger攻读博士学位。那时Anton Zeilinger教授已经建立了量子实验室,并且是量子物理学领域的国际权威。在这里,潘建伟和同事们完成了国际上首次实现光子的量子隐形传态的实验,这被认为是量子信息实验领域的开端。此后几年内,潘建伟和同事们又先后实现了一系列量子信息领域的先驱性实验,这些宝贵的经历为以后潘建伟在量子通信领域的突破性贡献奠定了坚实的基础。

2016年8月16日升空的“墨子号”于2017年圆满实现了三大既定科学目标,在国际上率先实现了千公里级星地双向量子纠缠分发、千公里级星地高速量子密钥分发和千公里级地星量子隐形传态。

在“墨子号”的研究上,潘建伟和他的团队没有任何成功的经验可以借鉴,他们面对了无数的挑战,团队成员将这些挑战戏称为“打怪兽”。其中有一个“怪兽”是如何让快速飞行的量子卫星被地面的光学天线精准跟随,这相当于在1万米高空的飞机上往地面上一个储蓄罐里投硬币,还必须保证每个硬币都能扔到储蓄罐中,难度可想而知,很多人都说这不可能做到,但他们最终做到了。

打倒这些“怪兽”背后是数不清的实验,数不清的屡败屡战和数不清的日以继夜。同时,他们还承受着来自外界的压力,实验室成立之初,许多媒体和业内人士将量子通信称为伪科学,而潘建伟一次都没有发声澄清和辩解,只是依旧日复一日地研究应用量子通信。他们的实际科研成果向世人发出了最倔强的声音。

开通世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”

“墨子号”成功升空后,潘建伟团队于2017年8月在国际上率先实现了千公里级卫星和地面之间的双向量子纠缠分发和高速量子密钥分发,并通过卫星中转实现广域量子保密通信。他们将和“墨子号”一起助力我国构建跨度最大、史上最安全的通信网络。

同时,他们还开通了世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”,结合“京沪干线”和“墨子号”的天地链路,使我国成功实现了洲际量子保密通信,建成了全长2000多公里的量子通信骨干网络,连接北京、上海,贯穿济南和合肥,该通信网络目前已在交通银行和工商银行京沪间远程应用。

除此之外,潘建伟和团队还为中国潜艇研制了专用量子导航定位系统,可以使潜艇在水下完整接受卫星信号,传输大量数据,这样潜艇不用上浮便可以隐蔽连续航行数月。

将来,潘建伟和他的团队还会尝试发射更多的量子通信卫星,在5到10年的时间里,构建包含国防、金融、政务、商业等领域的绝对安全全球量子保密通信网。

2017年来,潘建伟和他的实验室硕果累累,他们的研究成果6次入选两院院士评选的“中国年度十大科技进展新闻”、5次入选欧洲物理学会评选的“年度物理学重大进展”、4次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”。目前为止,潘建伟和他的团队掌握了国际上最好的冷原子技术、最好的精密测量技术和最好的多光子纠缠操纵技术,被称为“梦之队”。

世界著名杂志《自然》将潘建伟评为2017年度世界十大科学人物之一,称其为中国“量子之父”。

有信心让量子信息技术领跑世界

2018年3月,作为第十三届全国政协委员的潘建伟在“两会”期间的委员通道上接受《中国电子报》记者采访时表示,在党中央的高度重视和大力支持下,集中我国相应的科技力量,通过科技创新,有信心继续在量子信息技术上领跑世界。

潘建伟表示,目前量子信息技术包括两个方面的应用,一方面是量子保密通信,量子通信通过原理上不能破解、不能窃听的传输方式,在国防、政务、金融以及银行的个人隐私保护方面都可以起到比较好的作用;另一方面是量子计算,如果能够实现操控100个量子,其计算能力就可以达到现在全世界计算能力总和的100万倍,量子计算带来的强大计算能力,能够解决很多经典的计算机解决不了的问题,如气象的计算、药物设计和物理材料的设计。

潘建伟说,在国家的高度重视和大力支持下,我国在量子技术上的研究是非常有特色的。比如在量子保密通信的研究上,在国际上处于全面领先。量子计算在国际学术界牢牢占有一席之地。目前已经有一些比较好的成果,如“墨子号”成功完成相关科研任务,“京沪干线”的全线开通。希望通过未来5到10年的努力,能够构建一个天地一体化的量子保密通信网络来保护千家万户的信息安全。在量子计算上,2017年发布了全球首台光量子计算的原型机,希望通过3到5年的努力,实现50个比特的相干操纵,其计算能力在对某些特定问题的求解上,能够媲美目前最好的超级计算机。

在量子信息技术上国际竞争非常激烈,党中央对此也非常重视,并在“十三五”规划中提出,要在量子信息科技领域实施重大项目,同时组建国家实验室。“我们希望把全国相应的科技力量集中在一起,通过科技创新,有信心在这一领域继续领跑世界。”潘建伟说,“我们这一代人最大的幸运,就是能把自己的梦想融入改革开放的伟大浪潮,与时代同行,与祖国同盛!”

 
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