記者札記：“基于量子理論所開發下來的筆記本、手機、激光以及和平借助核能等量子技術,其惠及人類社會已半個多世紀。但是，有關量子世界的種種奇特特點,至今人們仍然蒙蔽不解，爭辯不休。近來幾六年，量子信息的發展,為人類提供了探求量子世界奧秘的新原理、新方式，量子熱學二次革命的鼓聲早已叩響。”中國科大學教授、中國科學技術學院院長郭光燦，應本刊非常約請，撰文簡略梳理量子熱學里程碑風波及前沿熱點（見本期“前沿”欄目），借此，人們可飽覽潘建偉率領一支青年科學家團隊是怎么站在量子前沿制高點，以前瞻視野創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，以及“海歸”科學家的“家國情結”，致使我國在量子通訊領域開始領跑世界。
剛才過去的2015年末，美國數學學會新聞網站《物理世界》，公布了該年度國際數學學領域10項重大突破，中國科大學教授、中國科學技術學院院長潘建偉及其團隊成員陸朝陽等完成的“一個基本粒子的多自由度量子隱型傳態”入選并名列榜首。評審委員會覺得，這項成果縮小了一些未來新技術與現實之間的距離，例如安全性能牢不可破的通訊設備、運算速率比昨天快幾萬億倍的計算機。
明年年初，潘建偉及團隊的“多光子糾纏及干涉測度”，獲2015年度我國國家自然科學獎銀獎。有媒體稱此成果為“彎道會車神器”。
至此，我國量子通訊領域開始領跑世界。
2月1日及3日、4日，潘建偉及其團隊，中國科學技術學院有關人士，陸續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，也是當代世界困局，加密技術不斷升級與加密算法不斷被破解，致使密碼學中的矛與盾處于恒久的博弈之中。十幾年來，他與他的團隊站在量子熱學前沿制高點上與高明的監聽者“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。當時指揮官發布命令是用密碼棒，經戰士傳遞給作戰首領，再將布匹纏繞在棒上烙印，密碼即可讀出。凱薩大帝時期，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，密碼成為人們保護信息的主要手段?，F代社會，無論國防、政務還是網路、金融，通訊安全技術須臾不可離開。由此，通訊安全是自古以來的永恒話題，也是當代世界困局，為現今世界各國的重大戰略需求?！?span style="display:none">1Q3物理好資源網(原物理ok網)
潘建偉強調，隨著加密技術不斷升級和加密算法不斷被破解，密碼學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，信息論及數字通訊奠基人香儂證明，假如秘鑰是隨機的、密鑰與明文寬度一樣且一次一密、不重復使用，那就可保證這些加密方式絕對安全。
但是，這是構建在秘鑰本身是安全的前提之下。怎樣形成并分發安全的秘鑰呢？
基于量子熱學中量子的不可分割性、量子狀態的測不準性和未知量子態不可精確克隆3大原理，原則上可以實現難以被監聽的安全通訊。
潘建偉說，“在懸疑小說中，人們常常想像時間可以倒流。時間可以倒流就意味著因果性可以改變。但是到目前為止，化學學所有原則中，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，那是目前所有化學學原理所不容許的?！彼f，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到安全秘鑰分發目的：只要因果性創立，量子秘鑰分發就是安全的。
量子和信息的結合，最初來自1935年愛因斯坦等人對量子力學完備性的指責，即EPR佯繆。淺顯地講，量子糾纏，是兩個或更多粒子，雖然遠隔千山萬水也瞬時互相關聯的現象。根據相對論定域性，處于類空間隔的兩粒子，表現為對一個粒子的檢測，不會對另一個粒子形成影響；但是量子熱學卻覺得，處于量子糾纏的兩個粒子，對一個粒子的檢測，會頓時改變另一個粒子的狀態，這就是量子熱學非定域性。偉大的愛因斯坦甚至稱量子力學非定域性為：“遙遠地點之間的奇特互動”。隨著對量子非定域進行實驗檢驗的深入，人們漸漸把握了對微觀粒子的量子狀態進行人工調控的能力，在20世紀80年代，量子熱學與信息科學相結合，誕生了一門新型交叉學科——量子信息學，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，美國化學學家馬克思·普朗克最先提出“量子”的概念，引起量子熱學形成；1972年，澳洲化學學家克勞澤等通過實驗否認，微觀粒子“遙遠地點之間的奇特互動”現象真實存在；1984年，IBM公司的本內特和英國愛丁堡學院的布拉薩德，率先提出量子秘鑰分發合同即BB84合同，知名的BB84理論產生，它標志著量子密碼學即將誕生；1992年第一個量子密碼實驗演示完成。隨后，世界各國的量子化學學家開始旨在于量子密碼的實用化。
……
就在量子熱學誕生100多年后的2001年，潘建偉在中國農大成立量子信息實驗室，他與他的青年科學家團隊開始站在量子熱學前沿制高點上，與這些高明的監聽者“斗法”。
2.青年科學家們衷心佩服他的前瞻視野、洞察力與領導力，他站在前人“肩”上的創新模式，以及我國集中力量辦大事的傳統和老一輩“海歸”科學家的“家國情結”，最終讓我國在量子通訊領域領跑世界
“逆向思維”選導師
“1996年，我出國攻讀博士學位，到底師從哪一位導師，當時有兩個選擇，一是包括諾貝爾獎獲得者在內名氣更大一些的導師，還有就是我當時的導師——奧地利因斯布魯克學院院長塞林格（Anton）。那時，在同時期出國留學人員中，好多人選擇年紀稍大一些的諾獎獲得者或俄羅斯科大學教授，而我的導師當初名氣還沒這么大，他50歲，活躍在前沿，正處于創造的高峰期。經過了解，我覺得他的研究在當時是最好的，便決定師從他?！?span style="display:none">1Q3物理好資源網(原物理ok網)
后來，潘建偉的導師塞林格院士，以其創造性的研究工作推進了整個量子信息學科的發展，由此他被譽為量子信息實驗先驅之一。
讀大二時，潘建偉接觸到了量子熱學。但是一開始就被“量子疊加”概念搞糊涂了——一個人要么在北京要么在上海，如何會同時在北京和上海呢？“當時，我們已被牛頓熱學的美妙所征服，而量子熱學上述概念，在我看來，它與牛頓熱學完全格格不入”。
“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研究方向，并與量子“糾纏”至今。
1997年，來到因斯布魯克學院僅一年，潘建偉與法國學者丹巴斯特等人合作，開創性地實現了量子態隱型傳輸，在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送至乙地的光子上，這在國際上尚屬首次。印度數學學會、歐洲數學學會與國際權威雜志《科學》，將其評為該年度“全球十大科技進展”。
指責聲中建實驗室
“初到英國，我的導師就問我將來有哪些準備，我說想在中國構建世界領先的量子實驗室。”
潘建偉出國留學之時，量子信息學已成科學前沿熱點，他敏銳地覺察到其科學價值與寬廣的應用前景。由此，從1998年開始，潘建偉每年都借助暑假回到中國農大講學，并通過各類渠道為我國量子信息科學的發展提出建議。但是最初幾年，他的建議并未造成人們注重。有人不解：研究數學的人如何去搞信息科學、去搞估算呢？甚至有人覺得這像是偽科學，是不務正業。2001年，潘建偉最先獲得中科院和國家自然科學基金委的經費支持，在中國農大成立量子化學與量子信息實驗室。與此同時，他開始找尋志同道合者，擬成立一個優勢互補的科研團隊。
創新一種嶄新模式
建設世界一流的實驗室并非易事。潘建偉發覺自己僅僅一只腳踏入科學殿堂，所獲知識還不足以在國外獨立地支撐一個實驗室，于是，一種創新模式在腦海中浮現——他向中科院和中國農大提出，新成立的實驗室能夠在美國構建一個“龍頭”，站在前人“肩”上，將知識日漸搬運回去？
最初，潘建偉采取在美國遙控的辦法，訂購什么設備、開展什么實驗研究“我們是以這樣的形式，一丁點一丁點把知識搬運回去了。到2003年，我們的理論研究和實驗項目都取得了較好成果，那一年，國際數學學術刊物《物理評論快訊》一連刊發了我們7篇文章?！迸私▊フf，當時在《物理評論快訊》上發表文章是很難的事。
從2003年到2008年潘建偉 量子通訊，潘建偉接連派遣他團隊中的好多年青人，到美歐世界頂尖實驗室深造。“我們的量子通訊研究須要核心的單光子偵測技術，就把張強派往英國耶魯學院、把張軍送往法國日內瓦學院；須要超冷原子調控技術，就把陳宇翱派到法國法蘭克福馬普研究所；須要量子點光源技術，就把陸朝陽送往美國劍橋學院；據悉，派往美國學習的還有趙博、包小輝等。”
“由于經費并非出自我國捐助而是申請的美國項目，因此沒有任何約束力要求那些年青人學成歸國，但是令人驚訝的是，先前約定學成回去報效祖國的每一個人，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，我們發覺還有一種知識沒把握，即量子儲存技術，而量子態不能儲存則未能實現可擴充的量子信息處理。在中科院以及后來教育部和中國農大的支持下，我們又在美國海德堡學院設點，學習和積累這方面知識。海德堡學院的數學學專業是強項，尤其是用冷原子做量子儲存有過硬技術?！?span style="display:none">1Q3物理好資源網(原物理ok網)
2008年，潘建偉將建在日本海德堡學院的實驗平臺整體搬回中國農大。
2012年，潘建偉團隊在國際上首次成功地實現了百公里量級自由空間量子隱型傳態和糾纏分發。當初12月，國際權威學術期刊《自然》將該工作評比為“年度十大科技亮點”之一?！蹲匀弧吩趫髮н@一工作的新聞特稿《量子太空大賽》中指出“在量子通訊領域，中國用了不到10年時間，由一個不起眼的國家發展成為現今的世界勁旅，將領先于亞洲和北美?！?span style="display:none">1Q3物理好資源網(原物理ok網)
前瞻性源自敏銳洞察
訪談中，青年科學家們述說得最多的是她們的學術帶頭人潘建偉的前瞻性，洞察力與領導力。她們舉例說：
“精確對準光晶格的激光光路，是獲得超流-絕緣態相變的關鍵技術，我們在實驗的優化過程中，遇到了參與判據不靈敏、系統常年穩定性差等問題。潘老師提早布局，安排研究團隊的陳宇翱到法蘭克福學院的Bloch小組學習，積累光晶格實驗經驗。陳宇翱學成歸國，依據我們實驗的特征潘建偉 量子通訊，提出了靈敏的光路對準判據，并建議在特殊位置使用壓電調整架提高光路調節的確切性和可重復性。同時，我們改建了精密空調并優化實驗平臺溫控系統，解決了該系統因為低溫甩尾帶來的不穩定性問題?！?span style="display:none">1Q3物理好資源網(原物理ok網)
“并行地高保真度操控單原子載流子技術，是在光晶格中制備多粒子糾纏的基本技術，這在國際上是一個非常具有挑戰性的困局。我們通過多輪討論，并在實踐中找尋辦法，在借鑒前人超晶格技術的前提下，創造性地提出了載流子依賴的長短晶格相結合方式。潘老師當即安排一名博士研究生專攻這一方案，經過悉心設計和持續實驗的建立，總算實現了最初構想的載流子依賴的超晶格系統，并使用不同頻度的微波分別耦合左右格點和不同載流子，解決了這一困局，為大尺度糾纏態的制備奠定了基礎?！?span style="display:none">1Q3物理好資源網(原物理ok網)
“集中力量辦大事”與“家國情結”
最令潘建偉感動的是，當初在人們指責的眼神中設立實驗室，他申請經費200億元，而中科院基于更長遠的考慮，一舉支持了400萬。
在自由空間，環境對光量子態的干擾效應極小，而光子一旦穿透大氣層步入內層空間，其耗損即接近于零，這促使自由空間信道比光纖信道在遠距離傳輸方面更具優勢。基于衛星平臺的量子通訊，可實現全球化廣域量子通訊網路。因此，中科院仍然大力支持潘建偉團隊。在潘建偉團隊2005年首次實驗驗證了突破大氣層實驗光量子傳輸可行性基礎上，中科院于2007年起超常規布署了兩個知識創新重大工程項目，為星地量子通訊各項關鍵技術研究做方方面面的打算。經過幾年的技術發展后，2011年，中科院啟動了“量子科學實驗衛星”先導專項。
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抵達時間，而通訊雙方常常相距遙遠，分別擁有各自的時間基準，這就要在通訊雙方之間實現高精度時間同步。潘建偉說，因為衛星飛得特別快，每秒鐘七八公里，要保證將天上的光接收到地面并與設備對接得上，其難度可想而知：大氣是晃動的，天上星星在閃動說明光線是不穩定的，因此這真像是“針尖對麥芒”。他說，“基于我們的量子技術，又得益于中科院武漢技物所和光電技術研究所的天地光跟瞄技術，恰逢中科院還有微小衛星工程中心，正是在中科院前瞻性布局下，集中了種種優勢元素，因此在量子衛星方面，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，感嘆老一輩科學家的“家國情結”。他告訴記者，在中國農大的歷史上記載著這樣一段舊事：當初從美國回到祖國的科學你們錢學森、郭永懷等，曾責成中央建議構建一所新型學院——中國科學技術學院；而近代化學系首任系院長趙忠堯，是最早觀察到正電子訊號也即反物質的科學家，但是陰差陽錯與諾貝爾獎擦肩而過。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為之努力。
3.十四兩年磨一劍，過五關斬六將，幾經困擾又峰回路轉，海德堡學院的哲學家大路留下了她們的腳印，中國農大校園的夜幕中常見她們的身影
十四兩年磨一劍，過五關斬六將。
潘建偉對記者說，“不管遇見多少磨難，我們的目標很明晰，最終實現量子通訊實用化。首先，要讓它真正地安全；據悉，要把距離做遠，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存。這么，就要發展一系列技術，例如，關于安全，須要引誘態光源和檢測元件無關的量子秘鑰分發技術；要把量子儲存發展上去，就須要冷原子技術，而自由空間則須要自適應光學技術等。”
“根據大目標的確定，我們產生了路線圖，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。實際上是起點定了、終點定了，之后按照這兩個終端闡述哪條路走得通，各類各樣的問題如何一個個解決?！?span style="display:none">1Q3物理好資源網(原物理ok網)
實用化量子通訊探求，幾經困擾又峰回路轉。
潘建偉這樣述說她們發覺并“堵”上現實條件下量子通訊中的兩大安全漏洞：
“其一，量子秘鑰分發的理論方案要求理想的單光子源，目前在現實條件下是用弱相干光源——只有很小的機率在每位脈沖里有一個光子——來取代其實小但是這引起更小的機率會有2個一模一樣的光子。假如這時有個監聽者，我們假設他的技術比較高明，還會搶走一個光子，留下另一個光子讓秘鑰繼續形成，這樣他就可以100%監聽了。因而，往年用弱相干光源實現的量子秘鑰分發的安全距離只有10公里量級，且速度很低，不具備實用價值。當初團隊中的朋友、后來的北大學院院長王向斌等在2005年提出一個方案：采用引誘態量子秘鑰分發，雖然使用弱相干光源，也能克服多光子風波帶來的安全隱患，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驗研究解決了，但是終端偵測器又殉職題。如同人的耳朵突遇強光，眼前一黑哪些都看不清，我們的偵測器也是這么：強脈沖進來，偵測器就看不到訊號，這么監聽者就有辦法只讓你看見他想讓你看見的訊號，就又可100%監聽。2013年，我們在國際上首次實驗實現了所謂檢測元件無關的量子秘鑰分發，完美解決了所有針對偵測系統的功擊。歷經一年多的實驗探求，我們發展了高速獨立激光干涉技術，結合中科院北京微系統研究所自主研制的高效率、低噪音超導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個數目級，實用價值大大提高。就這樣，發射端、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，是她們的知識儲備階段；而在2004年這一年，她們早已推出獨立創新成果：多光子糾纏取得較大突破，在國際上首次實現5光子糾纏和終端開放的量子態隱型傳輸。因此我國的科研工作第一次被德國化學學會和美國數學學會同時評為年度數學學重大突破，《自然》雜志稱她們“完成了一次創舉”。
潘建偉說，多光子糾纏的意義，正如2012年諾貝爾化學學獎獲得者所強調的，“糾纏粒子數越多，量子熱學非定域性越強烈，對量子信息處理也越有用。”5個粒子糾纏在一起，功能還不夠強悍，倘若能把100個粒子糾纏在一起，那就很強悍。假如制造一個量子計算機，上面有100個儲存元，才能處于2100個狀態的相干疊加。相比精典計算機，量子計算機可以對2100個數同時進行估算，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式組，借助億億次的“天河二號”需要100年時間，而借助萬億量子計算機只需0．01秒鐘。
“怎樣能夠讓粒子糾纏得越來越多？這就須要儲存，讓糾纏態活得長久一點。因為這些態太脆弱，因此要把它保護在一種環境中，不要有干擾，要把噪聲隔絕掉，那就須要絞盡腦汁，發展各類各樣的技術。”
2005年，潘建偉團隊的科研工作開始步入一種良性循環，而且開辟了一個新的方向——開始探求在自由空間實現更遠距離的量子通訊。她們的自由空間技術，為后來的量子科學實驗衛星打下了比較好的基礎；而量子衛星的發射，將在國際上率先實現高速星地量子通訊，初步建立我國廣域量子通信體系，產生天地一體的全球化量子通訊基礎設施與下一代國家主權信息安全生態系統。
2016年下半年，“京滬干線”將建成，將成為聯接天津、濟南、合肥、上海等城域網路且全長2000多公里的量子保密通訊線路，因而成為全球首個遠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家的量子科學實驗衛星將發射升空，“天地一體化”的廣域量子通訊網路將初步實現。
有人說，在美國海德堡，有一條知名的“哲學家大路”，黑格爾當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。潘建偉團隊的青年科學家說，這兒也留下了她們與潘老師的足跡。中國農大的老師們說，在中國農大校園的夜幕中常見潘建偉及團隊的身影。
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潘建偉科普“多光子糾纏與干涉測度”
量子是個哪些概念？例如茶水，細分會成為一個個水份子，水份子就是保持水的物理性質的最小單元；空氣細分，最后會弄成一個個氧原子、氫原子、氮、氦等最小的顆粒。這么，太陽光照過來，會不會也是由小顆粒組成，或連續可以無限細分的能量組成的？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；光有震動頻度，頻度普朗克常數，為光能的最小單元。光子可以有不同的震動方向，我們可以定義沿水平震動時稱0，沿豎直震動稱1，這樣就可以加載一個比特的信息了。但是光子的震動方向除了可以處于“0”或“1”，量子疊加原理告訴我們，光子的震動方向還可以處于“0+1”或“0-1”等這樣的相干疊加狀態。這是微觀粒子區別于宏觀物體的主要性質之一。
對單光子的調控，可以實現無條件安全的量子通訊。
就像水份子不能再細分1／2一樣，光子也不能再分成1／2。這意味著，用單光子發送訊號時，假如中間有人在監聽，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，假若光子被監聽者取走了，這么這個秘鑰我們就不要了；若果沒有被取走，我們就可以用這個光子形成秘鑰。監聽者也許會說，我能不能拍個照，照相不就把信息復制同時又保留原先的光子了嗎？可是，量子態的疊加性質決定，對未知量子態的檢測會打掉原先的狀態，才會發生干擾。雖然光子沒被取走，但在這一過程中，他會留下痕跡。憑著這一痕跡，我們可以發覺監聽行為，并把遭到監聽的光子丟棄，而剩下的秘鑰又可以是安全的。與精典密碼基于估算復雜度的安全性不同，量子密碼基于數學學基本原理的安全性，只要量子熱學是正確的，量子通訊的安全性就從原理上得到保障，而不會遭到估算能力提高帶來的恐嚇。
量子熱學還告訴我們，單個光子可以處于“0+1”的疊加狀態上，兩個光子還可以處于“00+11”的狀態，這些狀態就稱為量子糾纏。對多粒子糾纏的相干操縱，可以實現具有強悍估算能力的量子估算。
舉例說，我們這個屋子可以坐5個人，每位人有2種狀態——高興或不高興，即0或1。這么，5個人可以有2的5次方狀態，總共就這幾種組合。但是，在某一時刻，你肯定處于高興或不高興的某一種狀態，所以，在我們每三天生活的世界中，我們5個人在某一時刻只能出現2的5次方這些可能性中的某一種狀態。并且，到了量子世界，5個光子就可以同時處于2的5次方這些狀態的相干疊加。這么，對于這些疊加狀態，5個粒子還無甚了不起，2的5次方總共只有32種狀態同時存在。但是，倘若實現了100個粒子的相干操縱，它可以處于2的100次方個狀態的相干疊加，這么相比精典計算機，量子計算機原理上就可以同時處理2的100次方個數據。這是一個十分巨大的數字，假若一個系統處于如此大的糾纏態，這么它的估算速率就比人們現今所用的電子計算機快得多。例如，有一類問題叫“玻色采樣”，它的估算復雜度是隨著粒子數的降低而指數下降的。理論表明，目前最好的商用CPU只能處理約25個粒子的玻色采樣，而目前最快的超級計算機“天河2號”能處理約45個粒子。假如量子計算機才能達到100個粒子的相干操縱，這么它對于處理這類問題的能力就可以達到“天河2號”的百億億倍！
所以，我們這個項目稱作“多光子糾纏及干涉測度”，就是希望多光子糾纏上去，對它進行操縱，實現信息的調制、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）
(原標題：戰略科學家的視野與理智固守——專訪全省政協委員、量子通訊專家潘建偉教授及其科研團隊)