1月8日，國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)在南京人民會(huì)堂舉行。 2015年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)名單迅速出爐。 萬(wàn)眾矚目的國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)銀獎(jiǎng)?lì)C給了“多光子糾纏與干涉測(cè)量”項(xiàng)目。
這是一個(gè)從1997年開(kāi)始，從跟隨到超越的精彩故事。 早在2012年12月，《自然》雜志就對(duì)潘建偉團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了報(bào)道，“在量子通信領(lǐng)域，中國(guó)用了不到10年的時(shí)間從??一個(gè)無(wú)足輕重的國(guó)家發(fā)展到今天的世界強(qiáng)國(guó)，領(lǐng)先于亞洲和北美。”
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授
文|林梅陳曉雪
“我一直都知道他（潘建偉）會(huì)有一個(gè)美好的職業(yè)生涯，但他的成功令人難以置信，我認(rèn)為沒(méi)有人能夠預(yù)見(jiàn)到這一點(diǎn)。我為他感到驕傲。” 三年前，維也納科學(xué)院化學(xué)家加拿大安東在接受《自然》雜志采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)道。
”建偉院士和他的合作者在1997年首先開(kāi)始從事量子態(tài)的隱形傳輸，這實(shí)際上拉開(kāi)了量子通信（研究）的帷幕。回國(guó)后，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)不僅從量子通信，很快就擴(kuò)展到量子計(jì)算等領(lǐng)域，因此國(guó)家在過(guò)去十年的量子通信和量子計(jì)算方面迅速?gòu)母S者轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿?dòng)者，在這方面，建偉和他的團(tuán)隊(duì)做出了很大的貢獻(xiàn)”。 2015年4月，在未來(lái)峰會(huì)報(bào)告廳，上海大學(xué)化學(xué)學(xué)院院士謝新成這樣評(píng)價(jià)潘建偉。
工作自然而然地到來(lái)。 2016年1月8日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其團(tuán)隊(duì)的“多光子糾纏與干涉測(cè)量”研究榮獲我國(guó)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域最高獎(jiǎng)——國(guó)家自然科學(xué)銀獎(jiǎng)獎(jiǎng)。
多光子糾纏干涉測(cè)量是基于人類(lèi)對(duì)量子熱基本問(wèn)題（如量子糾纏和非定域性）的深入研究和實(shí)驗(yàn)量子控制技術(shù)的巨大進(jìn)步而形成的一門(mén)新興學(xué)科。
根據(jù)量子化學(xué)理論，人們通過(guò)精確操控光子、原子等微觀粒子，可以革命性地編碼、調(diào)制和傳輸信息，從而保證通信的安全并提高估計(jì)率，從而突破經(jīng)典的信息技術(shù)困境。 因此，對(duì)這種微觀粒子糾纏的相干操控是發(fā)展實(shí)用量子信息和量子通信的必要技術(shù)方案。
基于這些想法，潘建偉和他的團(tuán)隊(duì)選擇了光子作為研究和操控的對(duì)象。 他們歷時(shí)十幾年大力發(fā)展多光子糾纏與干涉技術(shù)，并通過(guò)操縱光子，率先實(shí)現(xiàn)了量子信息處理的關(guān)鍵方案。 （如量子隱形傳態(tài)）以及幾乎所有重要的量子算法，使其系統(tǒng)地應(yīng)用于量子通信、量子估計(jì)和量子精密探測(cè)等多個(gè)研究方向，不僅建立了廣域量子通信和光量子科學(xué)信息處理也將量子保密通信技術(shù)帶入實(shí)際應(yīng)用。
可以說(shuō)，以潘建偉為代表的一批“領(lǐng)軍人物”，通過(guò)多光子糾纏干涉技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)和推動(dòng)了我國(guó)量子信息與量子通信研究的潮流，也奠定了我國(guó)獨(dú)特的量子信息與量子通信研究方向。在這個(gè)領(lǐng)域里。 國(guó)際化優(yōu)勢(shì)。
量子通信和量子信息無(wú)論在國(guó)內(nèi)外都可以稱(chēng)得上是年輕的前沿學(xué)科。 對(duì)于潘建偉來(lái)說(shuō)，距離他作為博士生在導(dǎo)師安東院士實(shí)驗(yàn)組首次實(shí)現(xiàn)光子量子隱形傳態(tài)才過(guò)去了十八、十九年。
現(xiàn)在，潘建偉已經(jīng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，率先完成了五光子、六光子、八光子糾纏，利用多光子操控實(shí)現(xiàn)量子信息處理的關(guān)鍵方案等一系列任務(wù)。全面發(fā)展光量子傳輸方法，實(shí)現(xiàn)實(shí)用、安全的量子通信。 系統(tǒng)工作先行先試。
他領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)主要關(guān)注量子通信、量子估計(jì)與模擬、量子精密探測(cè)三個(gè)方向。 其中，量子通信方面，量子安全通信骨干網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目“京滬干線(xiàn)”和“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正在研究； 在量子估計(jì)基礎(chǔ)研究方面，多次刷新多光子糾纏制備的世界紀(jì)錄； 科學(xué)等，推動(dòng)利用高精度量子探測(cè)方法進(jìn)行研究。
最初的夢(mèng)想
“我還清楚地記得第一次見(jiàn)到院士時(shí)，他問(wèn)我的夢(mèng)想是什么，我回答說(shuō)：‘在中國(guó)建立一個(gè)像你們這樣的世界領(lǐng)先的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室’。” 在一本回憶性的自傳中，潘建偉寫(xiě)道。
1996年，潘建偉來(lái)到德國(guó)因斯布魯克研究所跟隨阿爾巴尼亞化學(xué)家安東攻讀實(shí)驗(yàn)化學(xué)博士學(xué)位。
此前，潘建偉在中國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院完成化學(xué)教育，并獲得理論化學(xué)碩士學(xué)位。 在那里，潘建偉第一次接觸到量子熱，了解到微觀世界存在許多奇異的現(xiàn)象。 但隨著研究的深入，潘建偉越來(lái)越認(rèn)識(shí)到，量子理論中的各類(lèi)科幻都需要尖端的實(shí)驗(yàn)技術(shù)來(lái)驗(yàn)證，而當(dāng)時(shí)國(guó)外在量子理論方面與國(guó)際先進(jìn)水平相比還比較落后。對(duì)此。
出國(guó)留學(xué)，中國(guó)數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)的中學(xué)生自然選擇去意大利。 事實(shí)上，很多中學(xué)生開(kāi)玩笑說(shuō)，USTC這個(gè)縮寫(xiě)實(shí)際上代表“（日語(yǔ)培訓(xùn)中心）”。
當(dāng)時(shí)，安東在因斯布魯克學(xué)院完善了自己的量子實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)是量子化學(xué)領(lǐng)域的專(zhuān)家了。 他需要找人來(lái)驗(yàn)證他的一些觀點(diǎn)。 這時(shí)，26歲的潘建偉來(lái)了。
“剛來(lái)的時(shí)候，他對(duì)實(shí)驗(yàn)室的工作一無(wú)所知，很快就掌握了實(shí)驗(yàn)規(guī)則，開(kāi)始設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)。” 他在接受《自然》雜志專(zhuān)訪(fǎng)時(shí)說(shuō)道。
1997年，剛進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室一年的潘建偉和同學(xué)們完成了最重要的實(shí)驗(yàn)。 他們?cè)谑澜缟鲜状蝹魉土斯庾拥钠駪B(tài)。
量子隱形傳態(tài)（ ）的概念是由英國(guó)科學(xué)家CH于1993年提出的，它是一種以量子態(tài)承載信息的通信方式。 借助光子等基本粒子的量子糾纏原理，一種量子未知態(tài)可以傳遞到另一種量子未知態(tài)。 顆粒向上。
量子熱學(xué)中的“不可克隆定律”指出，未知的量子態(tài)不能先被克隆，復(fù)制的原始量子態(tài)將會(huì)被破壞。 我們無(wú)法創(chuàng)造出量子態(tài)的完美復(fù)制，只能改變?cè)瓉?lái)的量子態(tài)，從一個(gè)粒子完全傳送到另一個(gè)粒子，之后第一個(gè)粒子將不再處于原來(lái)的量子態(tài)。
1997年，該小組通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基本粒子的單自由度傳輸，而對(duì)于量子隱形傳態(tài)來(lái)說(shuō)，要真正傳輸微觀粒子的狀態(tài)，就必須傳輸微觀粒子的所有性質(zhì)。 這是全世界量子信息科學(xué)家面臨的困境。 此前我們了解到，潘建偉及其團(tuán)隊(duì)于2015年初首次實(shí)現(xiàn)了單光子多自由度量子隱形傳態(tài)，打破了量子隱形傳態(tài)長(zhǎng)達(dá)18年的實(shí)驗(yàn)困境。
1999年，潘建偉獲得博士學(xué)位。 法國(guó)維也納科學(xué)院實(shí)驗(yàn)化學(xué)博士，后在課題組擔(dān)任博士后、高級(jí)研究員、聯(lián)合PI。
2000年前后，國(guó)際量子估計(jì)、量子加密等前沿研究工作就已經(jīng)引起了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和國(guó)家自然科學(xué)基金委的關(guān)注。 2001年，年僅30多歲的潘建偉回國(guó)，開(kāi)始建立自己的量子化學(xué)和量子信息實(shí)驗(yàn)室。
接下來(lái)的十年，潘建偉一步步實(shí)現(xiàn)了剛加入實(shí)驗(yàn)室時(shí)的夢(mèng)想。
中國(guó)量子信息夢(mèng)之隊(duì)
如果說(shuō)潘建偉的球隊(duì)被稱(chēng)為球員，那么潘建偉的角色就是主教練和總導(dǎo)演。 除了負(fù)責(zé)球隊(duì)的訓(xùn)練和比賽的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)外，他還要時(shí)刻關(guān)注西路，聽(tīng)取各方意見(jiàn)，負(fù)責(zé)球隊(duì)的引進(jìn)和對(duì)外配合。
科學(xué)家在建立自己的科研團(tuán)隊(duì)初期往往一無(wú)所有，但團(tuán)隊(duì)磨合可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間。幸運(yùn)的是，潘建偉總共獲得了中科院650億元的科研經(jīng)費(fèi)，為實(shí)驗(yàn)室的啟動(dòng)奠定基礎(chǔ)。
潘建偉首先從親自培養(yǎng)中學(xué)生開(kāi)始。 中國(guó)科院1998級(jí)少年班的陳玉傲是潘建偉回國(guó)后招收的第一位研究生。 曾在第29屆國(guó)際青少年數(shù)學(xué)奧林匹克競(jìng)賽中獲得實(shí)驗(yàn)第一名和總分第一名。 2003年，陳玉敖在潘建偉的指導(dǎo)下建成了世界上第一個(gè)五光子糾纏實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 次年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了五光子糾纏和開(kāi)放終端量子隱形傳態(tài)，《自然》雜志發(fā)表了這一成果。 同年，這一成果榮獲法國(guó)數(shù)學(xué)會(huì)和德國(guó)化學(xué)會(huì)評(píng)選的年度國(guó)際數(shù)學(xué)重大進(jìn)展，這對(duì)于中國(guó)科學(xué)家來(lái)說(shuō)尚屬首次。
陳玉傲
不過(guò)，打好比賽需要不同位置的球員，實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也需要多學(xué)科的人才。 光學(xué)、冷原子化學(xué)、電子學(xué)、真空等都缺一不可。 潘建偉知道，學(xué)習(xí)美國(guó)頂尖實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)技術(shù)，是快速提升實(shí)驗(yàn)室實(shí)力的最佳途徑。
“潘女士根據(jù)每個(gè)人的研究專(zhuān)長(zhǎng)，盡可能地將我們分配到世界頂級(jí)的量子研究中心，以掌握最新的研究成果。為此，團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)人都各司其職，各盡其責(zé)。” 陸朝陽(yáng)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院院長(zhǎng)、博士。 劍橋大學(xué)化學(xué)博士在接受媒體專(zhuān)訪(fǎng)時(shí)說(shuō)道。 1982年出生的陸朝陽(yáng)是潘建偉團(tuán)隊(duì)的年輕骨干。 2004年從中國(guó)科學(xué)院畢業(yè)后，陸朝陽(yáng)開(kāi)始在潘建偉的指導(dǎo)下進(jìn)行光子糾纏和量子估計(jì)方面的研究。 曾獲中國(guó)科學(xué)院青年科學(xué)家國(guó)際合作伙伴獎(jiǎng)（2014年）、求是杰出青年學(xué)者獎(jiǎng)（2014年）。
陸朝陽(yáng)
在潘建偉的推薦下，團(tuán)里的中學(xué)生們前往日本、美國(guó)、瑞士、奧地利等高水平國(guó)際團(tuán)體體驗(yàn)不同科目。 2008年赴劍橋?qū)W院卡文迪什實(shí)驗(yàn)室研究基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)的固態(tài)系統(tǒng)量子控制技術(shù)。 據(jù)悉，在美國(guó)學(xué)習(xí)或工作的張強(qiáng)、陳凱、趙博、鄧友金也因各自在單光子探測(cè)器、光量子通信、原子能等方面的能力而受到潘建偉的“青睞”。系綜和統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)理論。 ”，開(kāi)始合作，直到后來(lái)回國(guó)加盟。
2008年，潘建偉將海德堡學(xué)院的實(shí)驗(yàn)設(shè)施整體遷回交通大學(xué)，同時(shí)利用“百人計(jì)劃”和“青年萬(wàn)人計(jì)劃”，不同背景的年輕人也回到了交通大學(xué)。中國(guó)一個(gè)接一個(gè)。 每個(gè)人都在30歲出頭，正處于創(chuàng)新能力的頂峰。
這是一支具有世界一流水平的量子化學(xué)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)。 陳玉傲和陳帥擅長(zhǎng)冷原子的量子模擬，袁振聲和包曉輝專(zhuān)注于量子存儲(chǔ)，陳增元和鄧友進(jìn)玩弄量子理論，陸朝陽(yáng)憑借頂尖的多光子在該領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位糾纏和固態(tài)量子光學(xué)技術(shù)。 彭承志領(lǐng)先世界，是基于他在實(shí)用誘餌態(tài)量子密鑰分發(fā)和遠(yuǎn)距離自由空間量子通信研究方面的成果。 2009年發(fā)射的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目。
陳楚冰（左）、袁振聲（右）
全面回國(guó)后，潘建偉團(tuán)隊(duì)的研究全面開(kāi)花，屢獲殊榮，幾乎年年都有重大進(jìn)展。 例如量子通訊潘，2009年，潘建偉團(tuán)隊(duì)將光纖量子通信的安全距離提高到200公里，建立了世界上第一個(gè)多節(jié)點(diǎn)全通光量子電話(huà)網(wǎng)絡(luò)，使量子通信在大范圍內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用成為可能。城市。 2014年11月，潘建偉與好友張強(qiáng)、陳騰云與北京微系統(tǒng)研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)的研究人員合作，開(kāi)發(fā)出高速獨(dú)立激光干涉技術(shù)，結(jié)合高效率和低噪聲中科院北京微系統(tǒng)研究所自主研發(fā)的超導(dǎo)納米火鍋單光子探測(cè)器，將可抵御黑客攻擊的遠(yuǎn)程量子密鑰分配系統(tǒng)的安全距離擴(kuò)大到200公里，分辨率提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)規(guī)模之大，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。
2015年初，潘建偉和陸朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了單光子兩個(gè)自由度——自旋（偏振）和軌道角動(dòng)量（OAM）的同時(shí)傳輸。 該研究發(fā)表在2月6日出版的《自然》雜志封面上。國(guó)際量子光學(xué)專(zhuān)家院士在《自然》雜志同期表示：“這一實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)，朝著理解量子力學(xué)邁出了重要一步。”并展示了量子化學(xué)最深刻、最令人驚訝的預(yù)測(cè)之一，并且可以用作未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)的工具。 年底，該成果被法國(guó)數(shù)學(xué)會(huì)《物理世界》評(píng)為2015年國(guó)際數(shù)學(xué)領(lǐng)域十大重大突破，并排名第一。
潘建偉（右）、陸朝陽(yáng)（左）
你若綻放，清風(fēng)自來(lái)
2012年12月，《自然》雜志在報(bào)道潘建偉團(tuán)隊(duì)量子通信研究成果的新聞專(zhuān)題《量子空間競(jìng)賽》中指出，“在量子通信領(lǐng)域，中國(guó)用了不到10年的時(shí)間，從這個(gè)不起眼的國(guó)家發(fā)展成為今天的世界強(qiáng)國(guó)，領(lǐng)先于亞洲和北美。”
正如它所說(shuō)。 潘建偉課題組的出色工作吸引了眾多國(guó)內(nèi)知名大學(xué)的量子化學(xué)研究人員。 美國(guó)卡爾加里學(xué)院理論化學(xué)研究員巴里和德國(guó)海德堡學(xué)院理論化學(xué)研究員于勒于2013年通過(guò)“千人計(jì)劃”被中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)聘用。量子信息與量子技術(shù)前沿協(xié)同創(chuàng)新中心主任。
同時(shí)，潘建偉課題組還與國(guó)內(nèi)外多家實(shí)驗(yàn)室建立了合作。 國(guó)際上有美國(guó)海德堡研究所üller組、意大利科學(xué)院組、德國(guó)馬普量子光學(xué)研究所Bloch組、英國(guó)劍橋?qū)W院Mete組等。北京大學(xué)雄駿集團(tuán)等
“近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升以及科技研發(fā)投入和人才引進(jìn)的減少，我國(guó)在化學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始形成一些有意義的科研成果……我對(duì)上述現(xiàn)象由衷地感到高興。” 潘建偉告訴知識(shí)分子。
2016年對(duì)于潘建偉團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是不平凡的一年。 作為我國(guó)首個(gè)空間科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃“空間科學(xué)戰(zhàn)略先導(dǎo)科技工程”的重要子項(xiàng)之一，“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（QUESS）”將于明年發(fā)射。
從應(yīng)用角度來(lái)看，QUESS將開(kāi)展星地間高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，推動(dòng)廣域乃至全球范圍內(nèi)量子通信的最終實(shí)現(xiàn)； 而從基礎(chǔ)研究的角度來(lái)看，它可以在宏觀距離上測(cè)試所謂的量子密鑰。 熱的非局域性，即量子糾纏定律在新的尺度區(qū)間是否會(huì)發(fā)生變化。 “如果發(fā)現(xiàn)偏離了現(xiàn)有的化學(xué)，就會(huì)形成新的數(shù)學(xué)。對(duì)于量子糾纏，它在宏觀距離上會(huì)不會(huì)發(fā)生變化，會(huì)不會(huì)受到引力的干擾，（通過(guò)QUESS）我們可以對(duì)一些化學(xué)的基本問(wèn)題量子通訊潘，如果你做得更好，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些新的數(shù)學(xué)。” 潘建偉解釋道。
20世紀(jì)著名化學(xué)家約翰曾說(shuō)過(guò)：“量子熱在過(guò)去的100年里給人類(lèi)帶來(lái)了如此多的重要發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，有理由相信它會(huì)在未來(lái)100年為我們帶來(lái)更多”多年。真是令人興奮的驚喜。”
潘建偉在不久前的一次峰會(huì)上引用了世界數(shù)學(xué)家對(duì)量子熱的期望，這實(shí)際上也可以視為他對(duì)自己工作的期望。
隨附的
《潘隊(duì)》
從左至右：陸朝陽(yáng)、彭承志、潘建偉、陳玉傲
潘建偉教授
陳楚兵院士
彭承志研究員
陸朝陽(yáng)院士
陳玉敖院士
鄧友金院士
張強(qiáng)院士
陳帥院士
陳凱院士
劉乃樂(lè)院士
趙波院士
張軍研究員
包曉輝院士
江曉副研究員
袁振生院士