記者札記：“基于量子理論所開發(fā)下來的筆記本、手機(jī)、激光以及和平借助核能等量子技術(shù),其惠及人類社會(huì)已半個(gè)多世紀(jì)。但是，有關(guān)量子世界的種種奇特特點(diǎn),至今人們?nèi)匀幻杀尾唤猓瑺庌q不休。近來幾六年，量子信息的發(fā)展,為人類提供了探求量子世界奧秘的新原理、新方式，量子熱學(xué)二次革命的鼓聲早已叩響。”中國科大學(xué)教授、中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長郭光燦，應(yīng)本刊非常約請，撰文簡略梳理量子熱學(xué)里程碑風(fēng)波及前沿?zé)狳c(diǎn)（見本期“前沿”欄目），借此，人們可飽覽潘建偉率領(lǐng)一支青年科學(xué)家團(tuán)隊(duì)是怎么站在量子前沿制高點(diǎn)，以前瞻視野創(chuàng)新出一種嶄新模式解決通訊安全這道世界困局；得益于我國集中力量辦大事的傳統(tǒng)，以及“海歸”科學(xué)家的“家國情結(jié)”，致使我國在量子通訊領(lǐng)域開始領(lǐng)跑世界。
剛才過去的2015年末，美國數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)新聞網(wǎng)站《物理世界》，公布了該年度國際數(shù)學(xué)學(xué)領(lǐng)域10項(xiàng)重大突破，中國科大學(xué)教授、中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長潘建偉及其團(tuán)隊(duì)成員陸朝陽等完成的“一個(gè)基本粒子的多自由度量子隱型傳態(tài)”入選并名列榜首。評(píng)審委員會(huì)覺得，這項(xiàng)成果縮小了一些未來新技術(shù)與現(xiàn)實(shí)之間的距離，例如安全性能牢不可破的通訊設(shè)備、運(yùn)算速率比昨天快幾萬億倍的計(jì)算機(jī)。
明年年初，潘建偉及團(tuán)隊(duì)的“多光子糾纏及干涉測度”，獲2015年度我國國家自然科學(xué)獎(jiǎng)銀獎(jiǎng)。有媒體稱此成果為“彎道會(huì)車神器”。
至此，我國量子通訊領(lǐng)域開始領(lǐng)跑世界。
2月1日及3日、4日，潘建偉及其團(tuán)隊(duì)，中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院有關(guān)人士，陸續(xù)接受了本刊記者的采訪。
1.通訊安全是自古以來的永恒話題，也是當(dāng)代世界困局，加密技術(shù)不斷升級(jí)與加密算法不斷被破解，致使密碼學(xué)中的矛與盾處于恒久的博弈之中。十幾年來，他與他的團(tuán)隊(duì)站在量子熱學(xué)前沿制高點(diǎn)上與高明的監(jiān)聽者“斗法”
訪談步入通訊安全話題，潘建偉直指2000多年前的古戰(zhàn)場。
“人們想以安全的方法共享一些看法或秘密，最早可溯源到古埃及的軍事行動(dòng)。當(dāng)時(shí)指揮官發(fā)布命令是用密碼棒，經(jīng)戰(zhàn)士傳遞給作戰(zhàn)首領(lǐng)，再將布匹纏繞在棒上烙印，密碼即可讀出。凱薩大帝時(shí)期，人們將字母做些改換，例如，A用C替代、B用E取代，爾后按照密碼本對譯，就可讀出信息。2000多年來，密碼成為人們保護(hù)信息的主要手段。現(xiàn)代社會(huì)，無論國防、政務(wù)還是網(wǎng)路、金融，通訊安全技術(shù)須臾不可離開。由此，通訊安全是自古以來的永恒話題，也是當(dāng)代世界困局，為現(xiàn)今世界各國的重大戰(zhàn)略需求。”
潘建偉強(qiáng)調(diào)，隨著加密技術(shù)不斷升級(jí)和加密算法不斷被破解，密碼學(xué)中的矛與盾便處于恒久的博弈之中。
這么，有沒有一種絕對不被破譯的通訊方法，徹底解決通訊安全困局？
潘建偉向記者娓娓道來：
1949年，信息論及數(shù)字通訊奠基人香儂證明，假如秘鑰是隨機(jī)的、密鑰與明文寬度一樣且一次一密、不重復(fù)使用，那就可保證這些加密方式絕對安全。
但是，這是構(gòu)建在秘鑰本身是安全的前提之下。怎樣形成并分發(fā)安全的秘鑰呢？
基于量子熱學(xué)中量子的不可分割性、量子狀態(tài)的測不準(zhǔn)性和未知量子態(tài)不可精確克隆3大原理，原則上可以實(shí)現(xiàn)難以被監(jiān)聽的安全通訊。
潘建偉說，“在懸疑小說中，人們常常想像時(shí)間可以倒流。時(shí)間可以倒流就意味著因果性可以改變。但是到目前為止，化學(xué)學(xué)所有原則中，因果性是最寶貴的原則，它是不能改變的，假如因果秩序顛倒，我們的世界就無因無果，那是目前所有化學(xué)學(xué)原理所不容許的。”他說，在香儂提出無條件安全的加密原則50年后的2009年，研究證明采用量子手段可達(dá)到安全秘鑰分發(fā)目的：只要因果性創(chuàng)立，量子秘鑰分發(fā)就是安全的。
量子和信息的結(jié)合，最初來自1935年愛因斯坦等人對量子力學(xué)完備性的指責(zé)，即EPR佯繆。淺顯地講，量子糾纏，是兩個(gè)或更多粒子，雖然遠(yuǎn)隔千山萬水也瞬時(shí)互相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象。根據(jù)相對論定域性，處于類空間隔的兩粒子，表現(xiàn)為對一個(gè)粒子的檢測，不會(huì)對另一個(gè)粒子形成影響；但是量子熱學(xué)卻覺得，處于量子糾纏的兩個(gè)粒子，對一個(gè)粒子的檢測，會(huì)頓時(shí)改變另一個(gè)粒子的狀態(tài)，這就是量子熱學(xué)非定域性。偉大的愛因斯坦甚至稱量子力學(xué)非定域性為：“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的奇特互動(dòng)”。隨著對量子非定域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的深入，人們漸漸把握了對微觀粒子的量子狀態(tài)進(jìn)行人工調(diào)控的能力，在20世紀(jì)80年代，量子熱學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合，誕生了一門新型交叉學(xué)科——量子信息學(xué)，主要包括量子通訊和量子估算，為確保信息安全和提升估算速率提供了全新的方案。
100多年前的1900年，美國化學(xué)學(xué)家馬克思·普朗克最先提出“量子”的概念，引起量子熱學(xué)形成；1972年，澳洲化學(xué)學(xué)家克勞澤等通過實(shí)驗(yàn)否認(rèn)，微觀粒子“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的奇特互動(dòng)”現(xiàn)象真實(shí)存在；1984年，IBM公司的本內(nèi)特和英國愛丁堡學(xué)院的布拉薩德，率先提出量子秘鑰分發(fā)合同即BB84合同，知名的BB84理論產(chǎn)生，它標(biāo)志著量子密碼學(xué)即將誕生；1992年第一個(gè)量子密碼實(shí)驗(yàn)演示完成。隨后，世界各國的量子化學(xué)學(xué)家開始旨在于量子密碼的實(shí)用化。
……
就在量子熱學(xué)誕生100多年后的2001年，潘建偉在中國農(nóng)大成立量子信息實(shí)驗(yàn)室，他與他的青年科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開始站在量子熱學(xué)前沿制高點(diǎn)上，與這些高明的監(jiān)聽者“斗法”。
2.青年科學(xué)家們衷心佩服他的前瞻視野、洞察力與領(lǐng)導(dǎo)力，他站在前人“肩”上的創(chuàng)新模式，以及我國集中力量辦大事的傳統(tǒng)和老一輩“海歸”科學(xué)家的“家國情結(jié)”，最終讓我國在量子通訊領(lǐng)域領(lǐng)跑世界
“逆向思維”選導(dǎo)師
“1996年，我出國攻讀博士學(xué)位，到底師從哪一位導(dǎo)師，當(dāng)時(shí)有兩個(gè)選擇，一是包括諾貝爾獎(jiǎng)獲得者在內(nèi)名氣更大一些的導(dǎo)師，還有就是我當(dāng)時(shí)的導(dǎo)師——奧地利因斯布魯克學(xué)院院長塞林格（Anton）。那時(shí)，在同時(shí)期出國留學(xué)人員中，好多人選擇年紀(jì)稍大一些的諾獎(jiǎng)獲得者或俄羅斯科大學(xué)教授，而我的導(dǎo)師當(dāng)初名氣還沒這么大，他50歲，活躍在前沿，正處于創(chuàng)造的高峰期。經(jīng)過了解，我覺得他的研究在當(dāng)時(shí)是最好的，便決定師從他。”
后來，潘建偉的導(dǎo)師塞林格院士，以其創(chuàng)造性的研究工作推進(jìn)了整個(gè)量子信息學(xué)科的發(fā)展，由此他被譽(yù)為量子信息實(shí)驗(yàn)先驅(qū)之一。
讀大二時(shí)，潘建偉接觸到了量子熱學(xué)。但是一開始就被“量子疊加”概念搞糊涂了——一個(gè)人要么在北京要么在上海，如何會(huì)同時(shí)在北京和上海呢？“當(dāng)時(shí)，我們已被牛頓熱學(xué)的美妙所征服，而量子熱學(xué)上述概念，在我看來，它與牛頓熱學(xué)完全格格不入”。
“越是稀奇奇特越想拚命厘清楚”。就這樣，潘建偉選擇了量子熱學(xué)研究方向，并與量子“糾纏”至今。
1997年，來到因斯布魯克學(xué)院僅一年，潘建偉與法國學(xué)者丹巴斯特等人合作，開創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)隱型傳輸，在實(shí)驗(yàn)上成功地將一個(gè)量子態(tài)從甲地的光子傳送至乙地的光子上，這在國際上尚屬首次。印度數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)、歐洲數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)與國際權(quán)威雜志《科學(xué)》，將其評(píng)為該年度“全球十大科技進(jìn)展”。
指責(zé)聲中建實(shí)驗(yàn)室
“初到英國，我的導(dǎo)師就問我將來有哪些準(zhǔn)備，我說想在中國構(gòu)建世界領(lǐng)先的量子實(shí)驗(yàn)室。”
潘建偉出國留學(xué)之時(shí)，量子信息學(xué)已成科學(xué)前沿?zé)狳c(diǎn)，他敏銳地覺察到其科學(xué)價(jià)值與寬廣的應(yīng)用前景。由此，從1998年開始，潘建偉每年都借助暑假回到中國農(nóng)大講學(xué)，并通過各類渠道為我國量子信息科學(xué)的發(fā)展提出建議。但是最初幾年，他的建議并未造成人們注重。有人不解：研究數(shù)學(xué)的人如何去搞信息科學(xué)、去搞估算呢？甚至有人覺得這像是偽科學(xué)，是不務(wù)正業(yè)。2001年，潘建偉最先獲得中科院和國家自然科學(xué)基金委的經(jīng)費(fèi)支持，在中國農(nóng)大成立量子化學(xué)與量子信息實(shí)驗(yàn)室。與此同時(shí)，他開始找尋志同道合者，擬成立一個(gè)優(yōu)勢互補(bǔ)的科研團(tuán)隊(duì)。
創(chuàng)新一種嶄新模式
建設(shè)世界一流的實(shí)驗(yàn)室并非易事。潘建偉發(fā)覺自己僅僅一只腳踏入科學(xué)殿堂，所獲知識(shí)還不足以在國外獨(dú)立地支撐一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，于是，一種創(chuàng)新模式在腦海中浮現(xiàn)——他向中科院和中國農(nóng)大提出，新成立的實(shí)驗(yàn)室能夠在美國構(gòu)建一個(gè)“龍頭”，站在前人“肩”上，將知識(shí)日漸搬運(yùn)回去？
最初，潘建偉采取在美國遙控的辦法，訂購什么設(shè)備、開展什么實(shí)驗(yàn)研究“我們是以這樣的形式，一丁點(diǎn)一丁點(diǎn)把知識(shí)搬運(yùn)回去了。到2003年，我們的理論研究和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都取得了較好成果，那一年，國際數(shù)學(xué)學(xué)術(shù)刊物《物理評(píng)論快訊》一連刊發(fā)了我們7篇文章。”潘建偉說，當(dāng)時(shí)在《物理評(píng)論快訊》上發(fā)表文章是很難的事。
從2003年到2008年潘建偉 量子通訊，潘建偉接連派遣他團(tuán)隊(duì)中的好多年青人，到美歐世界頂尖實(shí)驗(yàn)室深造。“我們的量子通訊研究須要核心的單光子偵測技術(shù)，就把張強(qiáng)派往英國耶魯學(xué)院、把張軍送往法國日內(nèi)瓦學(xué)院；須要超冷原子調(diào)控技術(shù)，就把陳宇翱派到法國法蘭克福馬普研究所；須要量子點(diǎn)光源技術(shù)，就把陸朝陽送往美國劍橋?qū)W院；據(jù)悉，派往美國學(xué)習(xí)的還有趙博、包小輝等。”
“由于經(jīng)費(fèi)并非出自我國捐助而是申請的美國項(xiàng)目，因此沒有任何約束力要求那些年青人學(xué)成歸國，但是令人驚訝的是，先前約定學(xué)成回去報(bào)效祖國的每一個(gè)人，全部按量回去了”。潘建偉將此演繹為：他與她們的“心靈契約”與共同理想。
“到2004年，我們發(fā)覺還有一種知識(shí)沒把握，即量子儲(chǔ)存技術(shù)，而量子態(tài)不能儲(chǔ)存則未能實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)充的量子信息處理。在中科院以及后來教育部和中國農(nóng)大的支持下，我們又在美國海德堡學(xué)院設(shè)點(diǎn)，學(xué)習(xí)和積累這方面知識(shí)。海德堡學(xué)院的數(shù)學(xué)學(xué)專業(yè)是強(qiáng)項(xiàng)，尤其是用冷原子做量子儲(chǔ)存有過硬技術(shù)。”
2008年，潘建偉將建在日本海德堡學(xué)院的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體搬回中國農(nóng)大。
2012年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國際上首次成功地實(shí)現(xiàn)了百公里量級(jí)自由空間量子隱型傳態(tài)和糾纏分發(fā)。當(dāng)初12月，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》將該工作評(píng)比為“年度十大科技亮點(diǎn)”之一。《自然》在報(bào)導(dǎo)這一工作的新聞特稿《量子太空大賽》中指出“在量子通訊領(lǐng)域，中國用了不到10年時(shí)間，由一個(gè)不起眼的國家發(fā)展成為現(xiàn)今的世界勁旅，將領(lǐng)先于亞洲和北美。”
前瞻性源自敏銳洞察
訪談中，青年科學(xué)家們述說得最多的是她們的學(xué)術(shù)帶頭人潘建偉的前瞻性，洞察力與領(lǐng)導(dǎo)力。她們舉例說：
“精確對準(zhǔn)光晶格的激光光路，是獲得超流-絕緣態(tài)相變的關(guān)鍵技術(shù)，我們在實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化過程中，遇到了參與判據(jù)不靈敏、系統(tǒng)常年穩(wěn)定性差等問題。潘老師提早布局，安排研究團(tuán)隊(duì)的陳宇翱到法蘭克福學(xué)院的Bloch小組學(xué)習(xí)，積累光晶格實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。陳宇翱學(xué)成歸國，依據(jù)我們實(shí)驗(yàn)的特征潘建偉 量子通訊，提出了靈敏的光路對準(zhǔn)判據(jù)，并建議在特殊位置使用壓電調(diào)整架提高光路調(diào)節(jié)的確切性和可重復(fù)性。同時(shí)，我們改建了精密空調(diào)并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)溫控系統(tǒng)，解決了該系統(tǒng)因?yàn)榈蜏厮ξ矌淼牟环€(wěn)定性問題。”
“并行地高保真度操控單原子載流子技術(shù)，是在光晶格中制備多粒子糾纏的基本技術(shù)，這在國際上是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的困局。我們通過多輪討論，并在實(shí)踐中找尋辦法，在借鑒前人超晶格技術(shù)的前提下，創(chuàng)造性地提出了載流子依賴的長短晶格相結(jié)合方式。潘老師當(dāng)即安排一名博士研究生專攻這一方案，經(jīng)過悉心設(shè)計(jì)和持續(xù)實(shí)驗(yàn)的建立，總算實(shí)現(xiàn)了最初構(gòu)想的載流子依賴的超晶格系統(tǒng)，并使用不同頻度的微波分別耦合左右格點(diǎn)和不同載流子，解決了這一困局，為大尺度糾纏態(tài)的制備奠定了基礎(chǔ)。”
“集中力量辦大事”與“家國情結(jié)”
最令潘建偉感動(dòng)的是，當(dāng)初在人們指責(zé)的眼神中設(shè)立實(shí)驗(yàn)室，他申請經(jīng)費(fèi)200億元，而中科院基于更長遠(yuǎn)的考慮，一舉支持了400萬。
在自由空間，環(huán)境對光量子態(tài)的干擾效應(yīng)極小，而光子一旦穿透大氣層步入內(nèi)層空間，其耗損即接近于零，這促使自由空間信道比光纖信道在遠(yuǎn)距離傳輸方面更具優(yōu)勢。基于衛(wèi)星平臺(tái)的量子通訊，可實(shí)現(xiàn)全球化廣域量子通訊網(wǎng)路。因此，中科院仍然大力支持潘建偉團(tuán)隊(duì)。在潘建偉團(tuán)隊(duì)2005年首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了突破大氣層實(shí)驗(yàn)光量子傳輸可行性基礎(chǔ)上，中科院于2007年起超常規(guī)布署了兩個(gè)知識(shí)創(chuàng)新重大工程項(xiàng)目，為星地量子通訊各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究做方方面面的打算。經(jīng)過幾年的技術(shù)發(fā)展后，2011年，中科院啟動(dòng)了“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”先導(dǎo)專項(xiàng)。
潘建偉說，量子通訊的信息載體一般為單光子，需確切偵測并記錄每位單光子訊號(hào)抵達(dá)時(shí)間，而通訊雙方常常相距遙遠(yuǎn)，分別擁有各自的時(shí)間基準(zhǔn)，這就要在通訊雙方之間實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步。潘建偉說，因?yàn)樾l(wèi)星飛得特別快，每秒鐘七八公里，要保證將天上的光接收到地面并與設(shè)備對接得上，其難度可想而知：大氣是晃動(dòng)的，天上星星在閃動(dòng)說明光線是不穩(wěn)定的，因此這真像是“針尖對麥芒”。他說，“基于我們的量子技術(shù)，又得益于中科院武漢技物所和光電技術(shù)研究所的天地光跟瞄技術(shù)，恰逢中科院還有微小衛(wèi)星工程中心，正是在中科院前瞻性布局下，集中了種種優(yōu)勢元素，因此在量子衛(wèi)星方面，我國也走到了世界前列。
潘建偉有感于我們國家“集中力量辦大事”的傳統(tǒng)，感嘆老一輩科學(xué)家的“家國情結(jié)”。他告訴記者，在中國農(nóng)大的歷史上記載著這樣一段舊事：當(dāng)初從美國回到祖國的科學(xué)你們錢學(xué)森、郭永懷等，曾責(zé)成中央建議構(gòu)建一所新型學(xué)院——中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院；而近代化學(xué)系首任系院長趙忠堯，是最早觀察到正電子訊號(hào)也即反物質(zhì)的科學(xué)家，但是陰差陽錯(cuò)與諾貝爾獎(jiǎng)擦肩而過。他衷心地希望我們的祖國繁榮興盛，希望后世有為青年繼續(xù)為之努力。
3.十四兩年磨一劍，過五關(guān)斬六將，幾經(jīng)困擾又峰回路轉(zhuǎn)，海德堡學(xué)院的哲學(xué)家大路留下了她們的腳印，中國農(nóng)大校園的夜幕中常見她們的身影
十四兩年磨一劍，過五關(guān)斬六將。
潘建偉對記者說，“不管遇見多少磨難，我們的目標(biāo)很明晰，最終實(shí)現(xiàn)量子通訊實(shí)用化。首先，要讓它真正地安全；據(jù)悉，要把距離做遠(yuǎn)，其中一方面是要研究自由空間，另一方面是要研究量子中繼和量子儲(chǔ)存。這么，就要發(fā)展一系列技術(shù)，例如，關(guān)于安全，須要引誘態(tài)光源和檢測元件無關(guān)的量子秘鑰分發(fā)技術(shù)；要把量子儲(chǔ)存發(fā)展上去，就須要冷原子技術(shù)，而自由空間則須要自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)等。”
“根據(jù)大目標(biāo)的確定，我們產(chǎn)生了路線圖，但是路線不一定是確定的，有可能這條路走不通，再走另外一條路。實(shí)際上是起點(diǎn)定了、終點(diǎn)定了，之后按照這兩個(gè)終端闡述哪條路走得通，各類各樣的問題如何一個(gè)個(gè)解決。”
實(shí)用化量子通訊探求，幾經(jīng)困擾又峰回路轉(zhuǎn)。
潘建偉這樣述說她們發(fā)覺并“堵”上現(xiàn)實(shí)條件下量子通訊中的兩大安全漏洞：
“其一，量子秘鑰分發(fā)的理論方案要求理想的單光子源，目前在現(xiàn)實(shí)條件下是用弱相干光源——只有很小的機(jī)率在每位脈沖里有一個(gè)光子——來取代其實(shí)小但是這引起更小的機(jī)率會(huì)有2個(gè)一模一樣的光子。假如這時(shí)有個(gè)監(jiān)聽者，我們假設(shè)他的技術(shù)比較高明，還會(huì)搶走一個(gè)光子，留下另一個(gè)光子讓秘鑰繼續(xù)形成，這樣他就可以100%監(jiān)聽了。因而，往年用弱相干光源實(shí)現(xiàn)的量子秘鑰分發(fā)的安全距離只有10公里量級(jí)，且速度很低，不具備實(shí)用價(jià)值。當(dāng)初團(tuán)隊(duì)中的朋友、后來的北大學(xué)院院長王向斌等在2005年提出一個(gè)方案：采用引誘態(tài)量子秘鑰分發(fā)，雖然使用弱相干光源，也能克服多光子風(fēng)波帶來的安全隱患，這樣才能把安全距離一舉拓展到幾百公里。”
“其二，光源漏洞雖已被王向斌的理論和我們的實(shí)驗(yàn)研究解決了，但是終端偵測器又殉職題。如同人的耳朵突遇強(qiáng)光，眼前一黑哪些都看不清，我們的偵測器也是這么：強(qiáng)脈沖進(jìn)來，偵測器就看不到訊號(hào)，這么監(jiān)聽者就有辦法只讓你看見他想讓你看見的訊號(hào)，就又可100%監(jiān)聽。2013年，我們在國際上首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了所謂檢測元件無關(guān)的量子秘鑰分發(fā)，完美解決了所有針對偵測系統(tǒng)的功擊。歷經(jīng)一年多的實(shí)驗(yàn)探求，我們發(fā)展了高速獨(dú)立激光干涉技術(shù)，結(jié)合中科院北京微系統(tǒng)研究所自主研制的高效率、低噪音超導(dǎo)納火鍋單光子偵測器，將該合同的安全距離突破至200公里，并將成分辨率提升了3個(gè)數(shù)目級(jí)，實(shí)用價(jià)值大大提高。就這樣，發(fā)射端、接收端的安全漏洞全部堵死上了。”
在潘建偉看來，從2001年到2004年，是她們的知識(shí)儲(chǔ)備階段；而在2004年這一年，她們早已推出獨(dú)立創(chuàng)新成果：多光子糾纏取得較大突破，在國際上首次實(shí)現(xiàn)5光子糾纏和終端開放的量子態(tài)隱型傳輸。因此我國的科研工作第一次被德國化學(xué)學(xué)會(huì)和美國數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)同時(shí)評(píng)為年度數(shù)學(xué)學(xué)重大突破，《自然》雜志稱她們“完成了一次創(chuàng)舉”。
潘建偉說，多光子糾纏的意義，正如2012年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)獲得者所強(qiáng)調(diào)的，“糾纏粒子數(shù)越多，量子熱學(xué)非定域性越強(qiáng)烈，對量子信息處理也越有用。”5個(gè)粒子糾纏在一起，功能還不夠強(qiáng)悍，倘若能把100個(gè)粒子糾纏在一起，那就很強(qiáng)悍。假如制造一個(gè)量子計(jì)算機(jī)，上面有100個(gè)儲(chǔ)存元，才能處于2100個(gè)狀態(tài)的相干疊加。相比精典計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)可以對2100個(gè)數(shù)同時(shí)進(jìn)行估算，由此可帶來估算能力重大飛越。例如求解億億億變量的多項(xiàng)式組，借助億億次的“天河二號(hào)”需要100年時(shí)間，而借助萬億量子計(jì)算機(jī)只需0．01秒鐘。
“怎樣能夠讓粒子糾纏得越來越多？這就須要儲(chǔ)存，讓糾纏態(tài)活得長久一點(diǎn)。因?yàn)檫@些態(tài)太脆弱，因此要把它保護(hù)在一種環(huán)境中，不要有干擾，要把噪聲隔絕掉，那就須要絞盡腦汁，發(fā)展各類各樣的技術(shù)。”
2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)的科研工作開始步入一種良性循環(huán)，而且開辟了一個(gè)新的方向——開始探求在自由空間實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通訊。她們的自由空間技術(shù)，為后來的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星打下了比較好的基礎(chǔ)；而量子衛(wèi)星的發(fā)射，將在國際上率先實(shí)現(xiàn)高速星地量子通訊，初步建立我國廣域量子通信體系，產(chǎn)生天地一體的全球化量子通訊基礎(chǔ)設(shè)施與下一代國家主權(quán)信息安全生態(tài)系統(tǒng)。
2016年下半年，“京滬干線”將建成，將成為聯(lián)接天津、濟(jì)南、合肥、上海等城域網(wǎng)路且全長2000多公里的量子保密通訊線路，因而成為全球首個(gè)遠(yuǎn)距離廣域光纖量子保密通訊骨干線路。同樣是在2016年，由潘建偉兼任首席科學(xué)家的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星將發(fā)射升空，“天地一體化”的廣域量子通訊網(wǎng)路將初步實(shí)現(xiàn)。
有人說，在美國海德堡，有一條知名的“哲學(xué)家大路”，黑格爾當(dāng)初曾在這條大路上徜徉思索，馬克·吐溫、歌德、席勒等人都曾在這條小道上留下足跡。潘建偉團(tuán)隊(duì)的青年科學(xué)家說，這兒也留下了她們與潘老師的足跡。中國農(nóng)大的老師們說，在中國農(nóng)大校園的夜幕中常見潘建偉及團(tuán)隊(duì)的身影。
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潘建偉科普“多光子糾纏與干涉測度”
量子是個(gè)哪些概念？例如茶水，細(xì)分會(huì)成為一個(gè)個(gè)水份子，水份子就是保持水的物理性質(zhì)的最小單元；空氣細(xì)分，最后會(huì)弄成一個(gè)個(gè)氧原子、氫原子、氮、氦等最小的顆粒。這么，太陽光照過來，會(huì)不會(huì)也是由小顆粒組成，或連續(xù)可以無限細(xì)分的能量組成的？通過研究，倘若將太陽光不斷地衰減，最后發(fā)覺太陽光的能量也是一份一份的，這一份份的能量單元就是光量子，簡稱光子。這么，它的能量是哪些？人們曉得，光具有波粒二象性，它是電磁波也是微粒；光有震動(dòng)頻度，頻度普朗克常數(shù)，為光能的最小單元。光子可以有不同的震動(dòng)方向，我們可以定義沿水平震動(dòng)時(shí)稱0，沿豎直震動(dòng)稱1，這樣就可以加載一個(gè)比特的信息了。但是光子的震動(dòng)方向除了可以處于“0”或“1”，量子疊加原理告訴我們，光子的震動(dòng)方向還可以處于“0+1”或“0-1”等這樣的相干疊加狀態(tài)。這是微觀粒子區(qū)別于宏觀物體的主要性質(zhì)之一。
對單光子的調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)無條件安全的量子通訊。
就像水份子不能再細(xì)分1／2一樣，光子也不能再分成1／2。這意味著，用單光子發(fā)送訊號(hào)時(shí)，假如中間有人在監(jiān)聽，這么，光子要么被搶走要么還在。量子通訊安全性的要訣在于：我們用單光子來送秘鑰，假若光子被監(jiān)聽者取走了，這么這個(gè)秘鑰我們就不要了；若果沒有被取走，我們就可以用這個(gè)光子形成秘鑰。監(jiān)聽者也許會(huì)說，我能不能拍個(gè)照，照相不就把信息復(fù)制同時(shí)又保留原先的光子了嗎？可是，量子態(tài)的疊加性質(zhì)決定，對未知量子態(tài)的檢測會(huì)打掉原先的狀態(tài)，才會(huì)發(fā)生干擾。雖然光子沒被取走，但在這一過程中，他會(huì)留下痕跡。憑著這一痕跡，我們可以發(fā)覺監(jiān)聽行為，并把遭到監(jiān)聽的光子丟棄，而剩下的秘鑰又可以是安全的。與精典密碼基于估算復(fù)雜度的安全性不同，量子密碼基于數(shù)學(xué)學(xué)基本原理的安全性，只要量子熱學(xué)是正確的，量子通訊的安全性就從原理上得到保障，而不會(huì)遭到估算能力提高帶來的恐嚇。
量子熱學(xué)還告訴我們，單個(gè)光子可以處于“0+1”的疊加狀態(tài)上，兩個(gè)光子還可以處于“00+11”的狀態(tài)，這些狀態(tài)就稱為量子糾纏。對多粒子糾纏的相干操縱，可以實(shí)現(xiàn)具有強(qiáng)悍估算能力的量子估算。
舉例說，我們這個(gè)屋子可以坐5個(gè)人，每位人有2種狀態(tài)——高興或不高興，即0或1。這么，5個(gè)人可以有2的5次方狀態(tài)，總共就這幾種組合。但是，在某一時(shí)刻，你肯定處于高興或不高興的某一種狀態(tài)，所以，在我們每三天生活的世界中，我們5個(gè)人在某一時(shí)刻只能出現(xiàn)2的5次方這些可能性中的某一種狀態(tài)。并且，到了量子世界，5個(gè)光子就可以同時(shí)處于2的5次方這些狀態(tài)的相干疊加。這么，對于這些疊加狀態(tài)，5個(gè)粒子還無甚了不起，2的5次方總共只有32種狀態(tài)同時(shí)存在。但是，倘若實(shí)現(xiàn)了100個(gè)粒子的相干操縱，它可以處于2的100次方個(gè)狀態(tài)的相干疊加，這么相比精典計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)原理上就可以同時(shí)處理2的100次方個(gè)數(shù)據(jù)。這是一個(gè)十分巨大的數(shù)字，假若一個(gè)系統(tǒng)處于如此大的糾纏態(tài)，這么它的估算速率就比人們現(xiàn)今所用的電子計(jì)算機(jī)快得多。例如，有一類問題叫“玻色采樣”，它的估算復(fù)雜度是隨著粒子數(shù)的降低而指數(shù)下降的。理論表明，目前最好的商用CPU只能處理約25個(gè)粒子的玻色采樣，而目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河2號(hào)”能處理約45個(gè)粒子。假如量子計(jì)算機(jī)才能達(dá)到100個(gè)粒子的相干操縱，這么它對于處理這類問題的能力就可以達(dá)到“天河2號(hào)”的百億億倍！
所以，我們這個(gè)項(xiàng)目稱作“多光子糾纏及干涉測度”，就是希望多光子糾纏上去，對它進(jìn)行操縱，實(shí)現(xiàn)信息的調(diào)制、傳輸與偵測，就可廣泛用于量子通訊、量子估算等方面。（中國科技人才作者：朱廣清馮琬婧）
(原標(biāo)題：戰(zhàn)略科學(xué)家的視野與理智固守——專訪全省政協(xié)委員、量子通訊專家潘建偉教授及其科研團(tuán)隊(duì))