制止“竊聽風云”
量子直接通訊距離創世界紀錄
揮別監聽風云，量子通訊因極高的安全性而成為科學研究的前沿領域之一。2022年諾貝爾化學學獎頒授給了量子信息領域的三位科學家，進一步引起全球對量子科技的高度關注。
上海在量子研究領域優勢顯著。早在2000年，北大學院院長龍桂魯就率領團隊提出了量子直接通訊理論。“利用量子態的特點，我們可以在信息傳遞時邊檢測、邊通訊。暗中監聽會引起量子態的狀態改變，對方既不能隱藏監聽行為，也未能泄露任何信息。”龍桂魯解釋，量子直接通訊將傳統保密通訊的秘鑰分發和密文傳輸雙信道結構，改變為單信道結構量子傳輸速度，除了就能感知監聽，還才能制止監聽。
不過，當2016年龍桂魯率領團隊啟動量子直接通訊原理樣機的研發時，工程化實踐的弱項阻礙展現下來。“高校科研小團隊的力量遠遠不夠。你很難要求數學系的中學生通曉電子、半導體、軟件編碼等技術，所以初始產品里藏著一些小問題，影響了優化升級的步伐。”
這也折射出當時上海量子研究的不足：中科院、北大、清華等院校院所爭相加碼，但科研力量分散，資源優勢并未有效轉化為競爭優勢。2017年12月24日，由上海市政府發起，聯合多家頂級學術單位共同建設的天津量子信息科學研究院落成創立。作為上海首批新型研制機構之一，量子院邁出了先行先試的腳步，大力引進全球量子科技領域人才的同時，還組壘砌一支高水平工程師組成的技術保障團隊，構建校企全鏈條暢通的科研平臺。
2019年，龍桂魯以“雙聘制”形式加入量子院，兼任該院副校長。在這兒，財政科研經費施行“負面清單”，設備采購能“一鍵下單”，研究團隊充分感遭到新機制下科研進展的“日新月異”。隨著軟硬件工程師相繼加入團隊，新一代樣機在設計上更加成熟。
在上海量子信息科學研究院的實驗室里，龍桂魯院士與研究人員正在進行量子直接通訊樣機研制。本報記者和冠欣攝
整合資源協同創新，龍桂魯團隊在量子院接連取得突破性成果：2020年成功推出世桐城臺實用化量子直接通訊樣機，率先實現10公里光纖鏈路每秒4千比特通訊速度的量子保密通話；同年，通過編碼優化，直接通訊距離提高至18公里；2022年，龍桂魯團隊和復旦學院院長陸建華團隊合作，設計出相位量子態與時間戳量子態混和編碼的新系統，將量子直接通訊距離一舉刷新至100公里，創下世界紀錄。
這意味著，借助現有的成熟技術手段，城市之間已能實現點對點的量子直接通訊。
接注視子電話
將在3至5年內實現
基礎研究科研周期長、投入大、轉化難，科研人員常常要坐“冷板凳”。但探求未知世界的好奇心，吸引科研人員不斷深入前沿領域。
“一個科學發覺究竟‘有沒有用’，我們難以預計，但若果不去做，就只能永遠跟在他人的前面。”中科院化學所大興研究部部長呂力表示，沒有基礎研究的進步，就沒有人類文明的進步。
量子理論誕生在百余年前，第一次量子革命催生了現代信息技術。而借助量子的特點推進量子通訊等領域邁向產業化，便是正在進行的第二次量子革命的目標。“量子技術是從基礎研究到應用轉化最快的領域之一，量子院正是用靈活的體制機制打通了困局，促進基礎研究的成果向產品化應用轉化。”龍桂魯說。
從實驗室到產品的路注定不會一帆風順。在測試新一代量子直接通訊樣機時，訊號如何也未能接通。為了找到故障點，團隊頗費了一番功夫，耗費數月排查了數百個零部件，迷霧總算被剝開——兩條光纖在對接時出現了偏差，盡管偏差不過毫厘，卻造成光路中斷。
工程師仔細調整后再測試，通了！
如今，第二代量子直接通訊樣機的通訊速度達到了每秒千比特的量級，才能穩定實現圖文傳輸，但是已從“一對一”通信發展到了多人“群聊”，初步建立起了量子直接通訊網路。
上海量子信息科學研究院超導量子估算實驗室外，研究員正在進行科研工作。本報記者和冠欣攝
“在量子院做科研，很舒心。”工程師宋嘯天今年加入了龍桂魯團隊量子傳輸速度，近來，他正向新一代量子直接通訊系統的芯片發起挑戰。上個月，他還在為芯片偏低的誤分辨率煩惱，通過反復摸索、嘗試，總算有了新突破——通過對關鍵部件重新設計，芯片誤分辨率降至3%，整體結構也更加緊湊精巧。
近日，龍桂魯要把量子直接通訊技術帶出實驗室，借助已鋪裝的光纖網路進行測試。“我們要讓技術在真實環境中接受考驗，再做進一步優化。”龍桂魯預計，3至5年內，量子直接通訊網路將真正走進人們的生活，接打“量子電話”、發送“量子信息”將可觸可及。
上海“四不像”研究所的
創新“超能力”
與龍桂魯相像，相繼加入量子院的頂級人才紛紛感遭到上海加快前沿創新的加速度。
2019年，常年從事超導量子估算和量子模擬研究的于海峰入職量子院。他快速組壘砌具有化學、電子、計算機等不同專業背景的40余人科研團隊，圍繞建造實用化量子計算機的總目標發起攻關。
同年，32歲的常凱在馬克斯普朗克微結構化學研究所完成博士后研究，盡管沒有著名頭銜，量子院仍然看見了他的科研潛質。在加入量子院并成立低維量子材料團隊后，短短2年時間，他的研究成果就登上了《科學》雜志。“量子院對于青年科學家的科研經費支持力度，讓我可以完全依照自己的構想去建設世界一流的實驗室，何必由于經費問題而作出種種妥協。”常凱說。
以研制高速光纖量子秘鑰系統而蜚聲的袁之良在2021年回國，兼任量子院首席科學家。量子院對其科研支持工作的舉辦，以天為單位估算。從簽署聘用協議到在崗投入科研，短短4個月的時間里，他所須要的科研設備論證、300平方米實驗室整修、科研團隊成立工作全部完成。
新的運行體制、新的財政支持新政、新的績效評價機制、新的知識產權激勵、新的固定資產管理方法，量子院不斷釋放創新活力，新的世界紀錄在這兒不斷誕生。
上海量子信息科學研究院，科研人員正在量子估算裝置下竭力攻關。本報記者和冠欣攝
2021年中關村峰會上，于海峰團隊的重磅研究成果發布——長壽命超導量子比特芯片突破500毫秒大關，標志著我國在超導量子芯片研究領域走到了世界前列。
去年3月，袁之良團隊的實驗室發布最新成果，在世界上首創開放式構架雙場量子秘鑰分發系統，完成615公里光纖量子秘鑰分發實驗。這些開放式構架設計簡約，能極大節省量子網路系統的建設成本，推動未來實現在城市間撥通“量子語音電話”。
“不完全像學院、不完全像科研院所、不完全像企業，不完全像事業單位”，不少科研人員將新型研制機構親切地稱為“四不像”單位。正是這些“四不像”的探求，打破了基礎研究與產業的隔膜，成功迸發和匯聚科學家精神，讓上海原始創新和前沿探求呈現出“千里馬”競相奔騰的蓬勃生機。
