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潘建伟院士:量子世界里领跑者 操纵微观粒子进入人们生活

来源:中国科技网-科技日报 作者:吴长锋 2015年06月02日 01:04
[导读] 采访潘建伟院士的地点约到了上海,多少有些出乎意料。而对于量子科学试验卫星,自然》杂志新闻特稿写到,中国将领先欧洲和北美,发射一颗量子科学实验卫星。

原标题:潘建伟:量子世界里的领跑者

本报记者  吴长锋

 采访潘建伟院士的地点约到了上海,多少有些出乎意料。安排记者采访的中国科技大学上海研究院杜先彬老师一再解释:潘院士实在太忙,时间只有两个小时,之后还要参加中科院的一个重要会议,若不行的话只能“紧盯插空”了。而前一天晚上,潘建伟还在医院检查治疗。

我国也是世界上首颗量子科学实验卫星将于2016年发射,在位于浦东的中科大上海研究院,作为项目牵头人的潘建伟院士和他的团队正为此紧张地工作着,常常夜以继日。

1970年出生的潘建伟,41岁当选中国科学院院士,42岁当选发展中国家科学院院士,同年获得量子信息科学领域最高奖项“国际量子通信奖”……短短几年间,斩获国内、外诸多荣誉及头衔,这些都源于潘建伟和他的团队在竞争激烈的量子通信世界科学的前沿,已牢牢地占据着制高点。

放飞在量子世界的梦想

潘建伟选择物理,完全因为兴趣。高考时,他本有机会被保送到浙江大学读当时的热门专业。“如果接受保送,可能就无法继续我的物理梦了。”潘建伟考入中国科大近代物理系。

上中学时,他的英语不好,一次英语课上,他鼓起勇气举手发言,可站起来之后“脑子一片空白”,这让潘建伟很受挫并暗下决心:“如果将来在国内做出成就,让别人请我去讲学。”

1996年,在中国科大获得硕士学位后,潘建伟投入奥地利因斯布鲁克大学塞林格教授门下攻读博士。望着眼前这位来自中国的年轻学者,塞林格问他:“潘,你的梦想是什么?”

“我要在中国建一个和您实验室一样在世界领先的实验室。”

彼时,导师正组织量子信息实验研究的一个国际合作项目。而潘建伟脑子里也酝酿着一个实验方案。一个月后,他觉得方案成熟了,便兴奋地在组里报告他的设想。塞林格问:“潘,你不知道这就是量子态隐形传输的理论方案吗?你不知道我们另一个小组正在做这个实验吗?”

潘建伟确实不知道,他坚定地对导师说:“我要加入这个实验!”仅仅一年之后,潘建伟便与同事一起在国际顶尖杂志《自然》上发表了首次实现量子隐形传态的学术论文,该成果被公认为量子信息实验领域的开山之作,被美国物理学会、欧洲物理学会和《科学》杂志评为年度十大进展,并同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等成果一道,被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。

从“追随”到“领跑”

2001年,潘建伟回到中科大组建实验室。但当时国内量子通信研究无论是水平还是人才储备,基础都很薄弱。

潘建伟再次回到欧洲,跟随已经转到维也纳大学的塞林格,以博士后身份从事研究。“我们必须与国际先进小组保持密切联系,才能更快地前进。”潘建伟说。

这期间,潘建伟像“候鸟”一样国内国外两头跑。不到一年时间,他在国内的研究组作为第一单位在权威杂志《物理评论快报》上发表了7篇论文。而当时国内高校在该杂志一年也发不了几篇。

2004年,潘建伟研究组在国际上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输,《自然》杂志发表了这一成果,并称赞他们“完成了一次壮举”。该成果同时入选欧洲物理学会和美国物理学会评选出的年度国际物理学重大进展,这是中国科学家的“第一次”。

“很自豪!这表明国内研究组在量子纠缠方面的工作已经成功跃居国际领先水平。”潘建伟说。

2008年,潘建伟把在海德堡大学的实验室整体搬回中国科大,并将一批优秀的青年学术骨干从欧洲引进到中国科大工作。“搬家的清单足足列了120页,大到激光器,小到12毫米的镜片,全部搬回来了。”

从2004年至今,潘建伟团队取得了一系列让人惊艳的研究成果,数次创造世界第一:首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输;首次实现16公里自由空间量子态隐形传输;首次实验实现了八光子薛定谔猫态;利用八光子纠缠,首次实验实现了拓扑量子纠错;首次实验实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发;首次实现多自由度量子隐形传态……

英国著名的科学新闻杂志《新科学家》以封面标题的形式这样评价潘建伟中科大团队:“中国科大——因而也是整个中国——已经牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地。”

操纵微观粒子进入人们的生活

对一般人而言,量子理论和技术难以理解,这样匪夷所思的科研成果有什么用途?

150年前,当麦克斯韦发现电磁波时,人们也在问同样的问题。事实上,电磁波的发现才让电视、无线电、雷达和手机成为可能。对量子态隐形传输和纠缠交换的研究同样是未来信息技术的基础。

潘建伟有着明确的科研图标:通过量子通信研究,从初步实现局域的量子通信网络,到实现多横多纵的全球范围网络,保证信息传输的绝对安全;通过量子计算研究,实现大数据时代信息的有效挖掘;通过量子精密测量研究,实现新一代定位导航……

20世纪初的实验发现,能量或物质细小到一定限度,就无法被准确测量了。理论上完美到极致的显微镜,对于一个量子级别的粒子也束手无策,因为一“碰”就毁坏了粒子的待测状态。如果让量子态的粒子携带密码信息,当间谍“偷听”时,信息就被偷听动作改变了,因而这条信息通道可以保证内容的绝密。

“量子纠缠”曾被爱因斯坦称作“幽灵般的超距离作用”。有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系,不管它们被分开多远,只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子,即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远,都能“感知”对方的状态。靠着量子纠缠的特性,科学家就可以给出一个无法窃取、也无从破译的“密钥”。

操纵微观粒子进入人们的生活,潘建伟团队正在这座科研图标上稳步跨越:2009年,潘建伟团队在合肥市建立了世界上首个多节点的全通型光量子电话网,并在天安门城楼、中南海等关键地点之间构建了“量子通信热线”,用于重要信息传送保障。

2012年,潘建伟团队完成了包括几十个节点的合肥城区量子通信网络示范工程,规模远远超过国际上已有的量子通信网络,标志着大容量的量子通信网络技术已经取得了关键性突破。同年11月,该团队研制的“基于量子通信的高安全通信保障系统”投入运行,为国家重要政治活动提供信息安全保障。

2013年,潘建伟团队实现了“测量器件无关的”量子通信,从而解决了单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患,大大提高了现实量子密钥分发系统的安全性。该成果被美国物理学会《物理》杂志评选为年度国际物理学重大进展。

潘建伟出任首席科学家的千公里光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”项目,2016年前后将建成连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络。“量子保密通信在城域网上的使用已经基本成熟,快则两三年,慢则三五年,就可以推广。”潘建伟说。

而对于量子科学试验卫星,《自然》杂志新闻特稿写到,中国将领先欧洲和北美,发射一颗量子科学实验卫星。这将为物理学家提供一个测试量子理论基础以及探索如何融合量子理论与爱因斯坦广义相对论的全新平台。

潘建伟最欣赏孔夫子那句名言:知者不惑,仁者不忧,勇者不惧。“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’。”

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[责任编辑:wn174]
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