南京大学马小松：潜心走入量子世界

　　日前，由我国自主制造的全球首颗“量子卫星”成功发射；今年年底，全球首条量子通信保密专线——“京沪干线”将如期建成，这无疑将把量子通信领域的研究再度推向新的高潮，也标志着我国的量子通信的科研水平处于世界前列。

　　量子是现代物理的重要概念，描写微观世界的物理理论就是量子力学。量子力学的基础研究到量子通信，意味着基础科学的研究成果正在逐渐转化为有应用前景的前沿技术。这一成功，离不开来自以中国科学院和中国科技大学为代表的众多科研团队的努力，也离不开那些为数众多、在该领域默默耕耘的年轻科研人员。这其中，来自南京大学物理学院的年轻教授马小松就是这一群体的典型代表。

　　维也纳归来的年轻人

　　物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科，也是一切自然科学的带头学科。选择物理学作为研究领域的人，一般都对这个世界有着足够的好奇心。马小松也不例外。

　　“从初中起，我就对物理特别感兴趣，喜欢动手做一些小实验，验证课本中的理论知识。加上高中的班主任无锡一中的倪亚青老师也是物理老师，所以后来我就选择了南京大学的物理系”，马小松笑言，自己可谓对物理学“从一而终”。大学毕业后，他前往荷兰莱顿大学开始硕士的学习和研究。

　　那么，马小松为什么当初会选择量子信息作为此后的研究重点呢？说起来，这还和科幻电影有关，他当时被电影《星球大战》中的瞬间移动等科幻情节深深吸引。1998年，马小松注意到一篇关于潘建伟院士及同事实现量子隐形传态实验的新闻报道，“当时我觉得很神奇，原来科幻电影中的情节可以在实验室里实现。在此基础上，我慢慢加深对量子信息的了解和学习，最终选择从事这个领域的研究”。

　　2005年，马小松前往奥地利维也纳大学，师从Anton. Zeilinger教授开始博士的学习和研究，主要致力于量子光学和量子信息处理。毕业后在奥地利科学院开始博士后研究，延续拓宽之前的工作。

　　2012年，马小松入选“欧盟玛丽居里学者”人才支持计划，前往美国耶鲁大学进行集成量子光学芯片方向的研究。2014年，他入选中组部青年千人计划，随后回到南京大学任教。

　　为什么放弃国外的舒适生活和优厚待遇回国？马小松坦言，南京大学是自己的母校。出国的12年间，自己一直与南大保持联系，“特别是母校的祝世宁老师，对我的学习、工作一直非常关心，为我的研究方向也给予了很多指导”。同时，量子光学和量子信息是自己的主要研究方向，也是南京大学一直想要发展的学科。国家和南京大学也为海外学子归国提供了强大的支持，因此“回南大，义不容辞”。

　　量子信息领域的后起之秀

　　量子是物理学中最小的不可分割的基本单位，许多物理学理论和科学如原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学，都是以量子力学为基础。马小松在量子力学的基础理论研究日益深入后，其工作重心开始逐渐转向量子通信，“科学不能总是高高在上，量子力学的成果也应该应用于大众生活”。

　　凭借着持续的努力，马小松近年来在量子信息领域取得了不少新突破。

　　比如，在实验基础量子物理学领域，马小松团队实现了名为“延迟选择纠缠交换”的“思想实验”，这项实验由A·Peres于2000年提出。他们首次在实验中证明，有关两个粒子是否处于纠缠或分离的量子状态，或许可以由这些粒子被测量后和不再存在时来决定，从而实现对过去事件的模拟和操纵。在非局域性的延迟选择量子橡皮擦的实验中，马小松和他的同事们首次在实验中实现了量子橡皮擦的非局域特性。这个实验对于量子力学的基础有着非常重要的意义。鉴于马小松在此方向的工作，今年3月，他受邀于权威期刊《现代物理评论》，撰写了延迟选择量子实验方面的综述长文，彰显了中国科学家在该领域的影响力

　　在量子通信的应用领域，2012年，马小松和同事们凭借143公里的成绩，打破了量子隐形态传输的最远距离世界纪录，也为建设一个基于卫星的全球性量子通信网打下了坚实的基础。在理想中的量子通信网络中，量子机械效应能够大幅提高信息交换的安全性，进行确定计算的效率也要远远超过传统技术，量子隐形态传输也将成为量子计算机之间信息传送的一个关键协议。这项成果刊登在《自然》杂志上，也被美国《时代》杂志评为2012世界百大科学进展之一。

　　在实验量子模拟方面，马小松和他的同事们首次在实验中用多光子纠缠态实现了模拟自旋四聚体。他们的实验利用了线性光学的精确量子调控和多光子干涉引起的光子－光子相互作用展示了量子纠缠的单调性，对于理解并且模拟量子多体问题提供了很好的平台。

　　量子失谐是一种比量子纠缠更广泛、更易于访问的关联性质。马小松团队首次在理论和实验中展现了在远程量子态制备中，量子失谐比量子纠缠更加重要，具有高量子失谐的量子态能够制备保真度更高的远程量子态。

　　量子通讯逐渐步入实用

　　尽管包括马小松自己在内的众多中国科学家近年在量子通讯方面取得系列成果，但马小松仍然保持着清醒的头脑，“国内的量子通讯研究水平处于世界领先，但在量子计算方面和世界一流研究者还有距离，需要继续加强”。

　　在马小松看来，量子通讯和国计民生都有着密切的关系。在过去的电子通信时代，信息安全十分脆弱，随着计算能力的提升和数学的进步，基于计算复杂度的经典加密体系终将崩塌。量子通信以其绝对安全性等特点，得到全球科技界、产业界普遍重视，许多国家争相将量子通信研究作为战略项目。可以说，量子信息研究对于我国信息安全建设不可或缺。对于普通人的生活也有着非常重要的影响，“比如能够帮助我们实现个人的财务，身体健康信息的绝对保密”。

　　目前，由潘建伟院士等人牵头的京沪量子保密干线正在建设。对此，马小松认为，这是一件利国利民的好事。需要指出的是，量子中继可以解决光子信号在光纤内指数衰减的重大难题，是未来实现超远距离量子通信的重要途径之一。为满足远距离量子中继的实际需求，量子存储器需要对单量子态进行长时间存储且具备高读出效率。下一步应该将量子中继整合到这个网络中。“尽管还有很多挑战（特别是量子中继），但目前量子通讯逐渐进入实用阶段。乐观估计，10年或许更短的时间内，这种新的通信方式能够得到大规模推广”。

　　“科研是一个漫长的过程，大部分时间是挫折和失败，有时候甚至是90%的时间是不成功的。但剩下的10%是成功的硕果，而这10%的喜悦是其他所有东西都无法取代的”，马小松坦言，这也是他能够在量子力学和量子通讯领域坚守多年的原因。他的梦想，是希望依靠自己的努力，不断在量子力学基础研究和量子信息的应用领域取得突破，“希望有一天，凭着我们这些科学家的努力，能够让全世界的人都能够共享量子互联网带来的便利”。