“嗅每一片枯葉的氣味，對世界保持著孩童般的好奇。只是和科學(xué)糾纏，保持與名利的距離。站在世界的最后排，和宇宙對話，以先輩的名義，做前無古人的事業(yè)。”
2017年2月8日晚，“感動中國”2016年度人物頒獎晚宴在南京召開。全省政協(xié)委員、中科院教授、“量子衛(wèi)星之父”潘建偉獲評“2016年感動中國的十大年度人物”之一。這是“感動中國年度人物”組委會給潘建偉的頒獎辭。
2018年6月27日潘建偉在全省政協(xié)十三屆常委會第二次大會上作“量子科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用”學(xué)習(xí)講堂
潘建偉：我的量子研究之路
1987年夏，我從四川省東陽小學(xué)考入中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院近代化學(xué)系。在交大學(xué)習(xí)期間，我第一次接觸到了量子熱學(xué)，發(fā)覺微觀世界里有好多奇異的現(xiàn)象。我對這種奇怪的量子特點深陷苦苦思索之中，甚至使我忙于做習(xí)題而險些掛科。但不管怎樣樣，量子世界的奇特特點令我著迷，因而我確立了我的拼搏目標(biāo)：與量子打交道、交同學(xué)。專科結(jié)業(yè)前，我集中研究和總結(jié)了量子熱學(xué)的各類佯謬，作為我的專科結(jié)業(yè)論文。結(jié)業(yè)后，我繼續(xù)在交大攻讀理論數(shù)學(xué)碩士學(xué)位，理論基礎(chǔ)的加深促使我對量子的性子摸得更透了。
數(shù)學(xué)學(xué)終究是一門實驗科學(xué)，再奇妙的理論假如得不到實驗檢驗，無異于紙上談兵。但是，當(dāng)時國外缺少進行量子實驗的條件。研究生結(jié)業(yè)后，在導(dǎo)師的推薦下，我從1996年開始師從國際上知名的量子化學(xué)實驗學(xué)家，法國因斯布魯克學(xué)院的蔡林格（Anton）院長攻讀博士學(xué)位。一個理論化學(xué)專業(yè)的碩士，要想很快進入實驗量子化學(xué)的前沿，其中的困難可想而知。為了早日把握實驗知識和要領(lǐng)，我?guī)缀跽於寂菰趯嶒炇依铮谥袊r(nóng)大訓(xùn)練出的較扎實的理論造詣使我得以迅速理解和把握實驗技術(shù)。總算有三天，我有了自己的量子隱型傳態(tài)的實驗構(gòu)想。但是，當(dāng)我激動地向?qū)熀团笥褌冎v了自己的看法后，才曉得這似乎就是等提出的量子隱型傳態(tài)方案，但是實驗室正在做這個實驗。我當(dāng)時就提出要加入這個實驗，并得到了蔡林格院士的差遣。
20年前，英國，一位26歲的中國中學(xué)生，面對導(dǎo)師的提問“你的夢想是哪些”，他回答，“我要在中國，建一個世界一流的量子化學(xué)實驗室”。這個中學(xué)生的名子叫潘建偉。
經(jīng)過1年左右的努力，我和實驗室的同學(xué)完成了這個在國際上首次實現(xiàn)光子的量子隱型傳態(tài)的實驗。我們的工作發(fā)表在刊物上，被覺得是量子信息實驗領(lǐng)域的開端，同時被日本數(shù)學(xué)學(xué)會、歐洲數(shù)學(xué)學(xué)會、雜志評為年度十大進展，并被刊物在其專刊選為“百年化學(xué)學(xué)21篇精典論文”。至今，這篇論文一直是量子信息科學(xué)領(lǐng)域被引用次數(shù)最多的實驗論文。隨后幾年內(nèi)，我和朋友們先后實現(xiàn)了量子糾纏交換、三光子糾纏及其非定域性檢驗、四光子GHZ糾纏和高保真度的量子隱型傳態(tài)、量子糾纏純化等重要實驗，結(jié)果均發(fā)表在或上，這種工作多次被法國數(shù)學(xué)學(xué)會和德國化學(xué)學(xué)會評為年度數(shù)學(xué)學(xué)重大進展。
我在英國攻讀學(xué)位的時侯，是量子信息這門新興科學(xué)開始蓬勃發(fā)展的年月。這門學(xué)科——包括量子通訊、量子估算、量子模擬和量子精密檢測等研究方向——正是借助了量子的獨特性質(zhì)，還能用一種革命性的方法對信息進行編碼、存儲、傳輸和操縱，可以實現(xiàn)借助任何精典手段都未能完成的信息功能：量子通訊克服了精典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患，是迄今為止惟一被嚴(yán)格證明是無條件安全的通訊方法；量子估算和量子模擬具有趕超精典極限的強悍并行估算和模擬能力，一方面為密碼剖析、氣象預(yù)報、資源鉆探、藥物設(shè)計等所需的大規(guī)模估算困局提供解決方案，另一方面可闡明低溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等常年懸而未知的化學(xué)機制；量子精密檢測通過實現(xiàn)對重力、時間、位置等化學(xué)量的超高靈敏度檢測，可以大幅度提高衛(wèi)星導(dǎo)航、潛艇定位、醫(yī)學(xué)檢查、引力波偵測等的確切性和精度。在懷著極大的熱情與量子打交道的同時，我將眼神投向了國外，迫不及待地希望祖國能很快跟上這個新興科技領(lǐng)域的發(fā)展腳步，在信息技術(shù)領(lǐng)域捉住此次超越發(fā)達(dá)國家并把握主動權(quán)的機會。
從1997年開始，我每年都借助暑假回到中國農(nóng)大講學(xué)，為我國在量子信息領(lǐng)域的發(fā)展提出建議，并推動一批研究人員步入該領(lǐng)域。2001年，我榮獲“中科院引進美國杰出人才”，并獲得了國家自然科學(xué)基金委海外青年學(xué)者合作研究基金和中科院知識創(chuàng)新工程重要方向性項目的支持，在中國交大成立了量子化學(xué)與量子信息實驗室。這個實驗室以一批年青班主任和中學(xué)生為班底，朝氣蓬勃。其實我們是從零開始，但由于在成立之初就得到了國家自然科學(xué)基金委、中科院和中國農(nóng)大的大力支持，在之后的幾年里又相繼得到了科技部等主管部門的大力支持，為此實驗室的發(fā)展速率十分快。僅2003年一年，我們研究組作為第一單位發(fā)表在的論文就有7篇。2004年，我們在國際上首次實現(xiàn)五光子糾纏和終端開放的量子態(tài)隱型傳輸，發(fā)表在刊物。這一成果同時入圍法國數(shù)學(xué)學(xué)會和德國化學(xué)學(xué)會推選出的年度國際數(shù)學(xué)學(xué)重大進展，這對中國科學(xué)家來說是第一次。
量子信息科學(xué)領(lǐng)域是一個日新月異、正在迅速發(fā)展的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，須要各方面的人才和技術(shù)，須要與世界上優(yōu)秀的科研團體合作，學(xué)習(xí)她們的先進技術(shù)和經(jīng)驗。正是考慮到這一學(xué)科背景，在2003-2008年間，我國外、國外兩頭跑，一方面在中國農(nóng)大實驗室大力發(fā)展光量子信息技術(shù)，另一方面抵達(dá)在冷原子和原子芯片方面具有很強研究實力的日本海德堡學(xué)院化學(xué)所，以瑪麗·居里講席院士的身分在法國通過各類渠道申請經(jīng)費支持，從國外招收研究生和博士后，為我國培養(yǎng)冷原子量子儲存方面的研究力量。幾年出來，我們在冷原子量子儲存方面產(chǎn)生了豐富的人才和技術(shù)積累，取得了一系列國際領(lǐng)先的研究成果。2008年，刊物發(fā)表了我們“量子中繼器實驗實現(xiàn)”的研究成果。借助量子儲存技術(shù)在國際上首次完美地實現(xiàn)了長程量子通訊中亟待的“量子中繼器”，刊物贊譽該工作“掃除了量子通訊中的一大試金石”。這項成果榮獲法國數(shù)學(xué)學(xué)會年度數(shù)學(xué)學(xué)重大進展。我們還首次實現(xiàn)了光子比特與原子比特間的量子隱型傳態(tài)，首次將單次迸發(fā)量子儲存的壽命延長至微秒量級，較原先的結(jié)果提升了兩個數(shù)目級。
2008年，在完成了充分的技術(shù)積累和人才儲備后，我舍棄了在海德堡學(xué)院的職位，同時將在海德堡學(xué)院的實驗裝置相繼搬遷回中國農(nóng)大，將一批優(yōu)秀的年青人才從海德堡學(xué)院以國家“青年萬人計劃”、中科院“百人計劃”等形式引進到中國農(nóng)大。
2016年8月16日下午，中國量子衛(wèi)星“墨子號”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，它是世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，標(biāo)志著目前中國在量子通訊領(lǐng)域早已領(lǐng)跑世界。這個項目的首席科學(xué)家正是潘建偉。
全時歸國工作后，隨著研究工作的不斷深入和研究方向的擴大，尋求穩(wěn)定的科研經(jīng)費支持在一段時間內(nèi)仍然是困惑我們團隊的主要問題。2009年，我獲得“國家杰出青年科學(xué)基金”資助，無疑是對我團隊工作的高度肯定和鼓勵。在“杰青”項目、中科院的知識創(chuàng)新工程項目和科技部重大科學(xué)研究計劃項目等的支持下，我們團隊的經(jīng)費需求問題初步得到解決，可以在國外舉辦國際領(lǐng)先的工作了。值得強調(diào)的是，我們團隊的研究骨干中，有3人先后獲得“杰青”項目的捐助，充分彰顯了“杰青”是對我國優(yōu)秀科研人員的高度認(rèn)可。
團隊未來的重點發(fā)展方向有2個：一是將廣域量子通訊向?qū)嵱没较蜻M一步加快；二是發(fā)展量子模擬及量子精密檢測技術(shù)，用發(fā)展上去的量子操縱技術(shù)反過來促進量子化學(xué)和匯聚態(tài)化學(xué)方面的基礎(chǔ)研究，這將使量子科學(xué)與技術(shù)之間產(chǎn)生良性的正反饋關(guān)系，這是我倍感最為快樂的事情。
回顧我們過去幾年的發(fā)展，我慨嘆這是一個不斷實現(xiàn)和趕超夢想的光榮歷程。我們應(yīng)當(dāng)謝謝量子，是它促使我們才能有機會像“兩彈元勛”等老一輩科學(xué)家們那樣，為國家和社會的發(fā)展貢獻自己的一份力量。我更應(yīng)當(dāng)謝謝我們祖國在經(jīng)濟建設(shè)和社會進步中所取得的巨大成就。我們在發(fā)展量子信息科技上所取得的成績，與國家自然科學(xué)基金委、教育部、科技部、中科院等科研主管部門和中國農(nóng)大的強有力支持是分不開的。除了這般，國家對引進海外高層次人才的注重也達(dá)到了新的高度，促使更多的優(yōu)秀青年人才可以歸而報國，在國外充分發(fā)揮她們的創(chuàng)造力，成為前沿研究領(lǐng)域的主心骨。可以說，團隊所獲得的持續(xù)支持和所取得的成績除了體現(xiàn)著我國不斷增強的綜合國力和科技創(chuàng)新能力，也充分反映了我國對支持戰(zhàn)略性前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究的敏銳判定力和決策力。
2017年1月18日,中國研發(fā)發(fā)射的世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子”號即將交付使用
潘建偉：奇妙的量子世界
20世紀(jì)數(shù)學(xué)學(xué)有兩個重大發(fā)覺，即普朗克的量子論和愛因斯坦的相對論。量子論與相對論的研究和應(yīng)用一開始就與信息技術(shù)緊密相關(guān)。這兩大重要物理發(fā)現(xiàn)今本質(zhì)上奠定了20世紀(jì)和21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，帶來了人類物質(zhì)文明的巨大進步。
量子及其特點
所謂量子量子物理學(xué)之父普朗克，是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，也是物質(zhì)、質(zhì)量、能量的最基本攜帶者，具有不可分割性。像分子、原子、光子等構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，也稱為量子。
量子有一個十分奇怪的特點，叫量子疊加。哪些是量子疊加？精典風(fēng)波里可以用某個物體的兩個狀態(tài)代表0或1，例如一只貓，或則是死，或則是活，但不能同時處于死和活狀態(tài)之間。但在量子世界，除了有0和1的狀態(tài)，個別時侯像原子、分子、光子可以同時處于0和1狀態(tài)相干的疊加。例如光子的偏振光狀態(tài)，在真空中傳遞的時侯，可以沿水平方向震動，可以沿豎直方向震動，也可以處于45度斜震動，這個現(xiàn)象正是水平和豎直偏振光兩個狀態(tài)的相干疊加。正由于有量子疊加狀態(tài)，才造成量子熱學(xué)測不準(zhǔn)原理，即假如事先不曉得單個量子狀態(tài)，就不可能通過檢測把狀態(tài)的信息完全讀取；不能讀取就不能復(fù)制。這是量子的兩個基本特點。
量子還有一個特點，叫作“量子糾纏”。例如甲、乙二人分處異地，二人同時玩一個游戲——擲色子，甲在一地扔色子，每次扔一下，1/6的機率隨機得到1到6結(jié)果的某一個；同時，乙在另一地擲色子，雖然二人每一次單邊結(jié)果都是隨機的，但每一次的結(jié)果卻是一模一樣的，這就是“量子糾纏”。
最早提出這個概念的是愛因斯坦。愛因斯坦當(dāng)時覺得如何容許兩個客體在遙遠(yuǎn)的兩地之間會有這些怪異互動呢？為此指責(zé)量子理論的完備性。后來為了檢驗這些現(xiàn)象，科學(xué)家做了大量試驗，發(fā)覺這些糾纏性質(zhì)確實存在。并且在驗證過程中，科學(xué)家漸漸發(fā)展和把握了對單個粒子狀態(tài)進行人工制備和對多個粒子之間的互相作用進行主動操縱的能力，在這個基礎(chǔ)上，誕生了量子信息科學(xué)。
量子信息科學(xué)有三個應(yīng)用方向，一是量子通訊，即實現(xiàn)無條件安全通訊手段；二是量子估算，超高速而且可以有效闡明復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)的規(guī)律；三是量子精密檢測，檢測精度趕超精典極限，用于高精度導(dǎo)航、定位等。
我們對微觀世界的解釋已離不開量子熱學(xué)。圖為2017年1月20日日本舊金山舉辦量子科學(xué)展
量子信息科技應(yīng)用
第一個應(yīng)用是量子秘鑰分發(fā)。比如甲、乙兩人要進行安全通訊，甲發(fā)出的光子信息狀態(tài)有水平、豎直、45度等，假如有監(jiān)聽，第一，監(jiān)聽者不能把光子分成信息一模一樣的兩半，由于光子不可分割；第二，監(jiān)聽者不能復(fù)制信息，由于單次檢測測不準(zhǔn)；第三，監(jiān)聽者把光子查獲，乙收不到信息，也就不存在監(jiān)聽。無論如何，依據(jù)量子熱學(xué)原理，監(jiān)聽都可以被發(fā)覺，一旦被發(fā)覺，原有秘鑰立刻作廢。甲就可以把沒有被監(jiān)聽的秘鑰傳送過去，借助形成的秘鑰進行一次一密完全隨機的加密。所以，借助量子不可克隆和不可分割的特點可以實現(xiàn)安全量子秘鑰分發(fā)，實現(xiàn)不可破譯的保密通訊。
第二個應(yīng)用叫作量子隱型傳態(tài)。量子的這個特點類似傳說中的“瞬間聯(lián)通”。例如須要我從南京到上海開會，所有的交通工具都不能實現(xiàn)馬上抵達(dá)。這時侯在南京和上海分別有一個裝置量子物理學(xué)之父普朗克，兩個裝置里的粒子處于糾纏態(tài)，這么在成都我頭上的粒子跟裝置里的粒子做一種聯(lián)合檢測，通過精典通信把每一次的檢測結(jié)果發(fā)到上海，在上海對相應(yīng)粒子做某種操縱，就可以在上海用同樣多的分子、原子把我重新構(gòu)造下來，這個過程是以光速進行的。所以，借助量子糾纏的方法，可以把量子信息本身從一個地點傳送到另一地點。這就是量子的隱型傳態(tài)。
值得注意的是，傳到南京的我包含了我所有的物質(zhì)和信息，在南京的我早已消失了，所以不是我的復(fù)制品，我還是獨一無二的。這個技術(shù)要真正實現(xiàn)還須要很長時間，而且這個理念可以用在量子網(wǎng)路中，讓信息在量子網(wǎng)路中傳遞，就可以構(gòu)造所謂的量子估算和量子模擬。
量子估算具有強悍的估算能力，例如借助萬億次精典計算機分解300位的大數(shù)須要15萬年，借助萬億次量子計算機，只須要1秒。同理，在大數(shù)據(jù)和人工智能里，求解一個億億億變量的多項式組，借助目前最快的億億次“天河二號”大概須要100年左右，而且假如借助萬億次的量子計算機，只須要0.01秒。其應(yīng)用是十分廣泛的，除了可以解決大規(guī)模的計算機困局，破解精典密碼、氣象預(yù)報、藥物設(shè)計、金融剖析、石油鉆探，并且可以闡明新能源、新材料機制，慣性約束核聚變、高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等。
如今是大數(shù)據(jù)時代，近兩年形成的數(shù)據(jù)比之前幾千年的總和還要多。英國情報部門在“9·11”事件發(fā)生后，對所接收的數(shù)據(jù)進行剖析，結(jié)果發(fā)覺，假如事先有足夠剖析的話，就可以曉得9月11日這些驚悚分子會舉辦哪些活動，發(fā)生哪些事，然而當(dāng)時由于數(shù)據(jù)太大來不及剖析，大到須要100年才會剖析完，假如須要提早100年來預(yù)測“9·11”就沒有意義了。所以，假若造出量子計算機，對大數(shù)據(jù)中有效信息進行挖掘，是十分有效的。
還有一個應(yīng)用是量子精密檢測。目前世界上最好的精典加速度計，每晚偏差大約在200米左右，倘若為潛水艇導(dǎo)航，100天之后的偏差達(dá)到幾百公里，可能發(fā)生撞到海溝或則撞到山上的情況。并且借助量子疊加原理采用量子精密檢測手段，航行100天后的位置檢測偏差會大于1公里。
“墨子”號量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉教授在中科大青島研究院的實驗室里調(diào)試設(shè)備
量子信息科技現(xiàn)況
量子信息技術(shù)的基礎(chǔ)研究早已比較成熟，相關(guān)理論和實驗多次獲得諾貝爾化學(xué)學(xué)獎和沃爾夫數(shù)學(xué)學(xué)獎。目前，量子信息技術(shù)正由基礎(chǔ)研究邁向應(yīng)用基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。尤其是量子通訊，目前早已可以實用。關(guān)于未來方向，國際有共同的發(fā)展路線圖，一是通過光纖實現(xiàn)城域量子通訊網(wǎng)路；二是通過中繼器聯(lián)接實現(xiàn)城際量子網(wǎng)路，把好多城市聯(lián)接上去；假如把信息發(fā)射到駐華機構(gòu)或則美國，或則愈發(fā)高效遙遠(yuǎn)地點之間的量子通訊，則須要第三個技術(shù)，通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通訊。當(dāng)把這三項技術(shù)結(jié)合上去，就可以建立廣義的量子通訊網(wǎng)路，因而保證各個節(jié)點之間信息傳輸?shù)陌踩?span style="display:none">Xe8物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
在量子估算、量子模擬和精密檢測方面，目前國際上的研究熱點是對各類有望實現(xiàn)可擴充量子信息處理的數(shù)學(xué)體系舉辦系統(tǒng)性研究，主要從三方面展開：實現(xiàn)高精度、高效率量子態(tài)制備與互相作用控制；在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)更多粒子的量子糾纏，粒子之間糾纏越多，估算能力越強悍；同時實現(xiàn)更長的量子相干保持時間，相干時間越長，在估算過程中，量子有效性更能充分開發(fā)下來。在這三方面研究基礎(chǔ)上，提升量子估算的可擴充性，實現(xiàn)量子估算的基本功能；借助量子模擬探求匯聚態(tài)化學(xué)機制；實現(xiàn)超高精度精密檢測。
引用約翰·惠勒的話：“過去100年間量子熱學(xué)給人類帶來了這么之多的重要發(fā)覺和應(yīng)用，有理由相信在未來100年間它就會給我們帶來更多興奮人心的驚喜。”我們對未來飽含希望。