「潘之隊」

1月8日上午9時，正在人民大會堂召開的國家科技獎勵大會傳來消息，2015年國家最高科技獎再度出現空缺，同樣一幕首次發生在11年前的2004年。

數天前與4位國家最高科技獎得主一起獲得小行星命名的中國科學首個諾貝爾獎得主屠呦呦，無緣中國科技界的最高榮譽。

國家最高科學技術獎於2000年設立。每年獲獎者不超過兩名。迄今已有25位傑出科技工作者獲此殊榮，他們的平均年齡超過80歲。

而國家自然科學獎一等獎去年出現很大爭議，今年的評獎工作大家拭目以待，結果不錯，來自中國科大的「多光子糾纏及干涉度量」研究摘得此獎，實至名歸。

這是一個1997年開始，從追隨到趕超的精彩故事。早在2012年12月，《自然》雜誌在報道潘建偉團隊時曾寫道，「在量子通信領域，中國用了不到10年的時間，由一個不起眼的國家發展成為現在的世界勁旅，將領先於歐洲和北美。」

文 | 林梅 陳曉雪

「我一直都知道他（潘建偉）會有一個精彩的職業，但是他的成功令人難以置信，我想這是任何人都沒有預見到的。我為他感到驕傲。」三年前，奧地利維也納大學物理學家Anton Zeilinger在接受《自然》雜誌採訪時說。

「建偉教授和他的合作者1997年最早開始從事量子態的隱形傳輸，這實際上是拉開了量子通信（研究）的一個序幕。回國以後他帶領團隊，不光是從量子通信，很快又擴展到了量子計算等等方面，所以把國家在量子通信、量子計算這十幾年，從追隨者很快的變成了一個引領者，這方面建偉和他的團隊作出了很大的貢獻。」2015年4月，在未來論壇的講座上，北京大學物理學教授謝心澄這樣評價潘建偉。

功到自然成。2016年1月8日，中國科學院院士潘建偉及其團隊的「多光子糾纏及干涉度量」研究，獲得中國科學技術領域的最高獎項——國家自然科學一等獎。

多光子糾纏干涉量度學是基於人類對於量子力學基本問題（如量子糾纏、非定域性）的深入研究和實驗量子調控技術的巨大進步發展起來的新興學科。

根據量子物理理論，人們可以通過對光子、原子等微觀粒子的精確操縱，以一種變革性的方式對信息進行編碼、調製和傳輸，在確保通信安全和提升計算速度等方面能夠突破經典信息技術的瓶頸。所以，對於這些微觀粒子糾纏的相干操縱是發展實用化量子信息和量子通信必須的技術準備。

基於這種思路，潘建偉和他的團隊選擇將光子作為研究和操縱對象，用了十幾年的時間，極大地發展了多光子糾纏和干涉技術，並通過操縱光子，率先實現了量子信息處理關鍵方案（如量子隱形傳態）和幾乎所有的重要量子演算法，繼而系統地應用於量子通信、量子計算和量子精密測量等多個研究方向，不但奠定了廣域量子通信和光學量子信息處理的科學基礎，也將量子保密通信技術帶入現實應用。

可以說，以潘建偉為代表的一批「領跑者」，通過發展多光子糾纏干涉量度學，引領和推動了我國的量子信息和量子通信研究的熱潮，也奠定了我國在該領域極具特色的國際優勢。

量子通信和量子信息，無論在國際還是國內，都算得上是年輕的前沿學科。對於潘建偉來說，從他作為博士研究生在導師 Anton Zeilinger教授的實驗組首次實現光子的量子隱形傳態算起，也僅僅過去了十八九個年頭。

現如今，潘建偉已經帶領自己的團隊，率先完成了包括五、六、八光子糾纏、利用多光子操縱率先實現量子信息處理關鍵方案、全面發展了面向實用化保密量子通信的光量子傳輸方法等一系列先驅性的系統工作。

他領導的團隊主要研究集中在量子通信、量子計算與模擬、量子精密測量三個方向。其中量子通信方面有量子保密通信骨幹網工程「京滬幹線」、「量子科學實驗衛星」在研；在量子計算的基礎性研究方面，多次刷新多光子糾纏製備世界紀錄；在量子導航、生命科學等方面，推動運用高精度量子測量手段開展研究。

1

最初的夢想

「我至今仍清晰地記得第一次見到Zeilinger教授時，他問我的夢想是什麼，我回答說：』在中國建一個像您這樣的世界領先的量子光學實驗室』。」 在一篇回憶性的自述中，潘建偉寫道。

1996年，潘建偉來到奧地利因斯布魯克大學（University of Innsbruck），跟隨奧地利物理學家Anton Zeilinger攻讀實驗物理學博士學位。

在此之前，潘建偉在中國科學技術大學完成物理本科教育，並取得理論物理碩士學位。在那裡，潘建偉第一次接觸到量子力學，了解到在微觀世界裡有很多奇特的現象。然而，隨著研究的深入，潘建偉越發認識到，量子理論中的各種懸疑需要尖端的實驗技術才能得以驗證，而當時國內在這方面與國際先進水平相比還比較落後。

海外留學，中國物理專業的學生很自然的一個選擇是到美國。事實上，很多學生開玩笑說，中國科學技術大學的首字母縮寫「USTC」實際上代表的是「United States Training Center(美國訓練中心）」。

那時，Anton Zeilinger在因斯布魯克大學建立了自己的量子實驗室，已經是量子物理領域的專家。他需要找人來驗證自己的一些想法。就在此時，26歲的潘建偉來了。

「他剛來時，對實驗室的工作一無所知，但是他很快就掌握了實驗的規則，並開始設計自己的實驗。」在《自然》雜誌的採訪中，Zeilinger說道。

1997年，剛剛進入Zeilinger實驗室一年的潘建偉和同事完成了最為重要的一個實驗，他們在國際上首次隱形傳送一個光子的極化狀態。

量子隱形傳態（quantum teleportation）的概念由美國科學家C. H. Bennett在1993年提出，是一種由量子態攜帶信息的通信方式，利用光子等基本粒子的量子糾纏原理，將量子未知的一個狀態傳送到另外一個粒子上去。

量子力學中的「不可克隆定理」指出，未知量子狀態首先不可克隆，被複制的原量子態會遭到破壞，我們並不能夠製造出一個量子態完美的複製品，而只能將原量子態從一個粒子完全地傳送到另一個粒子，隨後第一個粒子將不再處於原量子態。

Zeilinger小組於1997年在實驗上實現了基本粒子單一自由度的傳輸，但是對量子隱形傳態來說，真正要傳輸一個微觀粒子的狀態，需要把一個微觀粒子所有的性質都傳過去。這是橫亘在世界量子信息科學家面前的一個難題。後面我們知道，潘建偉和他的團隊在2015年年初首次實現了單光子多自由度的量子隱形傳態，打破了量子隱形傳態長達18年的實驗僵局。

1999年，潘建偉獲得奧地利維也納大學實驗物理博士學位，隨後在Zeilinger小組做博士後研究、高級研究員並擔任聯合PI。

2000年左右，國際量子計算和量子加密等前沿研究工作，已經吸引到中國科學院和國家自然科學基金委員會的注意。2001年，剛過而立之年的潘建偉回國開始組建自己的量子物理與量子信息實驗室。

隨後的十幾年中，潘建偉在一步步地實現自己最初加入Zeilinger實驗室時的夢想。

2

中國量子信息夢之隊

如果將潘建偉團隊比作一支球隊，潘建偉的角色就是主教練、總經理。他不僅要負責球員的訓練，比賽的戰略戰術，還要眼觀四路，耳聽八方，負責球員的引進與對外合作。

科學家在組建自己的科研隊伍初期，往往什麼都沒有，而且團隊磨合需要的時間可能更長。幸運的是，潘建偉獲得了中科院共計650萬元的科研經費，為實驗室啟動打下基礎。

潘建偉首先從親自訓練自己的學生開始。中國科學技術大學1998級少年班的陳宇翱是潘建偉回國後招收的第一個碩士研究生，他曾在第29屆國際中學生物理奧賽獲實驗第一、總分第一。2003年，在潘建偉的指導下，陳宇翱搭建了世界上第一個五光子糾纏的實驗平台。次年，潘建偉團隊在國際上首次實現五光子糾纏和終端開放的量子隱形傳態，《自然》雜誌發表了這一成果。同年，這一成果入選歐洲物理學會和美國物理學會評選出的年度國際物理學重大進展，這對中國科學家來說是第一次。

然而，踢好一場比賽需要不同位置的球員，實驗室建設也需要多學科人才，光學、冷原子物理、電子學、真空等缺一不可。潘建偉知道，學習國外頂尖實驗室的先進技術，是快速提升實驗室實力的最好辦法。

「潘老師根據每個人的研究專長，儘可能地將我們分派到全球各個頂級的量子研究中心，掌握最新研究成果，因此團隊中的每個人都各司其職，各有所長。」中國科學技術大學教授、英國劍橋大學物理學博士陸朝陽接受媒體採訪時表示。1982年出生的陸朝陽是潘建偉團隊的青年骨幹，2004年從中國科學技術大學本科畢業之後，陸朝陽開始師從潘建偉開展光子糾纏和量子計算方面的研究，曾獲中科院青年科學家國際合作夥伴獎（2014）、求是傑出青年學者獎（2014）。

在潘建偉的推薦下，組裡的學生們分赴英國、美國、瑞士、奧地利等高水平國際小組中接觸不同的學科，比如陳宇翱在2004年赴德國海德堡大學學習冷原子量子調控，陸朝陽則在2008年到劍橋大學卡文迪實驗室學習基於半導體量子點的固態體系量子調控技術。此外，在國外學習或工作的張強、陳凱、趙博和鄧友金等人也由於各自在單光子探測器、光量子通信、原子系綜、統計物理理論等方面表現出的能力被潘建偉「相中」，展開合作，直至後來回國加盟。

2008年，海德堡大學的實驗裝置被潘建偉整體搬遷回科大的同時，藉助「百人計劃」、「青年千人計劃」，這些不同學科背景的年輕人，也陸續回國，他們回國時基本上都是30歲出頭，正處在創新能力的高峰期。

這是一個有著國際一流水平的量子物理實驗團隊。陳宇翱和陳帥擅長冷原子量子模擬、苑震生和包小輝主攻量子存儲，陳增兵和鄧友金玩轉量子理論，而陸朝陽則以其頂尖的多光子糾纏和固態量子光學技術在該領域保持國際領先，彭承志更是憑藉其在實用化誘騙態量子密鑰分發研究和遠距離自由空間量子通信研究上的建樹，作為首席科學家助理及科學應用系統負責人，參與領導並組織將於2016年發射升空的量子科學實驗衛星項目。

完全回國後，潘建偉團隊的研究四面開花，連連得分，幾乎每年都有重大進展。比如，2009年，潘建偉團隊將光纖量子通信安全距離提高到200公里，組建了世界上首個多節點的全通型光量子電話網，使量子通信在城市範圍內的實用化成為可能。2014年11月，潘建偉及其同事張強、陳騰雲與中國科學院上海微系統所、清華大學的科研人員合作，通過發展高速獨立激光干涉技術，結合中科院上海微系統所自主研發的高效率、低雜訊超導納米線單光子探測器，將可以抵禦黑客攻擊的遠程量子密鑰分發系統的安全距離擴展至200公里，並將成碼率提高了3個數量級，創下新的世界紀錄。

2015年初，潘建偉、陸朝陽團隊在國際上首次成功實現同時傳送單光子的兩個自由度——自旋（極化）和軌道角動量（OAM），該研究刊登在2月6日的《自然》雜誌封面上。國際量子光學專家Wolfgang Tittel教授在同期《自然》說：「該實驗的實現為理解和展示量子物理的一個最深遠和最令人費解的預言邁出了重要的一步，並可以作為未來量子網路的一個強大的基本單元」。年末，該項成果入選歐洲物理學會《物理世界》2015年度國際物理學領域的十項重大突破，且位居榜首。

潘建偉（右）和陸朝陽（左）

3

你若盛開，清風自來

2012年12月，《自然》雜誌在報道潘建偉團隊量子通信研究成果的新聞特稿《量子太空競賽》中指出，「在量子通信領域，中國用了不到10年的時間，由一個不起眼的國家發展成為現在的世界勁旅，將領先於歐洲和北美。」

如其所言。潘建偉小組的傑出工作吸引了許多國外名校的量子物理研究學者慕名而來，加拿大卡爾加里大學的理論物理學教授Barry Sanders、德國海德堡大學理論物理學教授Matthias Weidemüller在2013年通過「千人計劃」受聘為中科大量子信息與量子科技前沿協同創新中心教授。

同時，潘建偉小組也和國內外多個實驗室建立合作，國際上有德國海德堡大學Matthias Weidemüller組、義大利Trento大學Sandro Stringari組、德國馬普量子光學所Immanuel Bloch組、英國劍橋大學Mete Atature組等，國內的清華大學翟薈組、北京大學劉雄軍組等。

「這些年來隨著國家經濟實力的增強，在科技研發投入和人才引進力度的增加，我國已經開始在物理學和生命科學領域不斷地產生一些有意義的科學成果。對於上述現象心裡感到由衷的高興。」潘建偉對《知識分子》說。

2016年，對潘建偉團隊無疑將是更加特別的一年。作為我國第一個空間科學衛星計劃「空間科學戰略性先導科技專項」的重要分項之一，「量子科學實驗衛星（QUESS）」將於今年發射。

從應用的角度說，QUESS將進行星地高速量子密鑰分發實驗，旨在促進廣域乃至全球範圍量子通信的最終實現；而從基礎研究的角度說，則可以在宏觀的距離上檢驗所謂的量子力學的非局域性，即在新的尺度區間里，量子糾纏的規律會不會有所變化。「如果發現對現有物理偏離，新的物理就產生了。對量子糾纏而言，它在宏觀的距離裡面，會不會有什麼變化，會不會受到引力的干擾，（通過QUESS）我們就可以對物理學的一些基本問題做一些檢驗，如果做的比較好，有可能發現一些新的物理。」潘建偉解釋道。

20世紀著名物理學家John Wheeler曾說道，「過去一百年間量子力學已經給人類帶來了如此之多的重要發現和應用，有理由相信在未來一百年間它還會給我們帶來更多激動人心的驚喜。」

潘建偉不久前在一次論壇上引述這位世界物理學家對量子力學的期望，或許也可視為他對自己工作的期待。

潘建偉 院士

陳增兵 教授tt

彭承志 研究員

陸朝陽 教授tt

陳宇翱 教授tt

鄧友金 教授tt

張 強 教授tt

陳 帥 教授tt

陳 凱 教授t

劉乃樂 教授

趙 博 教授tt

張 軍 研究員tt

包小輝 教授

江 曉 副研究員

苑震生 教授

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