推开奇妙的量子之门

　　2015年年底，世界顶级物理杂志、英国物理学会下属的《物理世界》公布了本年度国际物理学领域的10项重大突破，中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等以“多自由度量子隐形传态”的研究成果入选，并荣登榜首。在量子研究领域，这仅仅是该团队无数荣誉中的一项。在2015年度国家科技奖评奖中，潘建伟、彭承志等为主要完成人的“多光子纠缠及干涉度量”团队，又摘得了我国自然科学领域最高奖项——自然科学奖一等奖。

　　实现对多粒子纠缠的相干操纵可以确保通信安全、提升计算速度

　　量子是微观世界不可分割的基本个体。日常生活中的光，就由大量光量子组成。量子有不同于宏观物理世界的奇妙特性，若能掌握其特征，则有望实现对信息处理能力革命性的突破。比如，利用量子的叠加性，制造出100个粒子相干操纵的量子计算机，就可能比目前最快的超级计算机“天河二号”还快百亿亿倍。

　　多光子纠缠，简要地说就是利用量子的物理特征，进行的一种对信息进行编码、存储、传输和操作的全新方式，它能对光子、原子等微观粒子进行精确操纵，从而确保通信安全、提升计算速度。

　　上世纪90年代，物理学家在理论上证明，对微观世界的物体而言，借助神奇的“量子纠缠”，可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送物质本身。但如何让理论设想在实验中实现，并搭建起量子传输的“通道”，推动产业利用，成为国际物理学争相研究的问题。

　　早在2004年，潘建伟团队就在国际上首次实现了五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输，在实验上证明了这种可能性。该成果被《自然》杂志发表，并入选当年英国物理学会和美国物理学会评选出的年度国际物理学重大进展。此后，该团队在2007年制备出六光子纠缠，2012年又制备出八光子纠缠，目前还保持着纠缠光子数目的世界纪录。潘建伟团队成员之一、中科大教授陆朝阳表示，要争取在未来5年内，实现20至30个光子的纠缠。

　　“实现对多粒子纠缠的相干操纵是量子信息技术的关键，也是量子信息处理的核心物理资源。”潘建伟说。物理学界认为，纠缠粒子数越多，对量子信息处理就越有用。

　　在研究基础上，潘建伟团队2007年在国际上首次实现了安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发，2008年实现了国际上首个全通型量子通信网络，2012年建成首个规模化量子通信网络。

　　潘伟健说，要实现有实用价值的量子模拟机和量子计算机的基本功能，起码要实现几十到上百个量子比特的纠缠，获奖是对团队多年在量子领域耕耘的肯定，但还有很多工作要做。

　　在10年到15年里，每个人的手机里都有望植入一个量子加密芯片

　　《西游记》中，孙悟空一个“筋斗云”就能越过十万八千里，当时人们或许没料到，数百年后，科学家已经在微观粒子的层面上让“筋斗云”变成现实——利用量子纠缠发展出的量子隐形传态，可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点，像“筋斗云”瞬间传输。

　　“我们带着一个保险箱去北京开会，而保险箱的钥匙落在合肥了，在合肥的同事可以通过量子隐形传态将钥匙的每一个特征都精确传送到北京，而在此过程中他并不掌握这把钥匙的任何信息。”潘建伟说。

　　推开量子奇妙世界，潘建伟团队有明确的科研路线图：通过量子通信研究，从初步实现局域量子通信网络，到实现多横多纵的全球范围量子通信网络，以保证信息传输的绝对安全；通过量子计算研究，为大规模计算难题提供解决方案，实现大数据时代信息的有效挖掘；通过量子精密测量研究，实现新一代定位导航……

　　与此同时，潘建伟和团队的一系列成果也得到了各方认可：该团队的成果8次入选两院院士评选的“年度十大科技进展新闻”，1次入选《自然》杂志评选的“年度十大科技亮点”，3次入选英国物理学会评选的“年度物理学重大进展”，3次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”。

　　2007年，英国《新科学家》杂志曾在“中国崛起”特刊中高度评价道，“潘和他的同事使得中国科学技术大学——因而也是整个中国——牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地”；2012年，英国《自然》杂志在报道该项目团队量子通信研究成果的新闻特稿“量子太空竞赛”中不吝赞美之词：“这标志着中国在量子通信领域的崛起，从10年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅，将领先于欧洲和北美……”

　　有人质疑，量子信息基础研发成本高昂，目前技术还不够成熟，实用性非常小，值得如此高投入吗？面对质疑，潘建伟并不否认，但他相信这是阶段性难题，“随着技术进步，很多成本都会降下来。光纤刚问世的时候只能造几十厘米，当时没人能想到，几十年后我们的地下会建成这么完备的光纤网络。”

　　潘建伟说，没有多少人预料到互联网技术在上个世纪后半段的飞速成长，量子信息技术同样也可能给世界带来惊喜。他相信，由于高安全性的优势，在未来5年左右的时间里，量子通信技术将在金融机构、国防政务、大数据中心有大用途。在10年到15年时间里，每个人的手机里都有望植入一个量子加密芯片。