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2020年09月13日
【科學網】潘建偉團隊:做世界“最牛”的量子研究

近(jin)日,光(guang)量(liang)子計(ji)算(suan)和大尺(chi)度光(guang)量(liang)子信息處(chu)理兩項成果雙雙入(ru)選中國科(ke)學院“率先行動”計(ji)劃第(di)一階段59項重大科(ke)技成果及標志(zhi)性進展。

8月16日,世(shi)界首顆量子科學(xue)實驗衛星“墨(mo)子號(hao)”迎(ying)來4歲生日。在距離地球500公(gong)里的軌道上,這(zhe)顆超(chao)期服役2年的“老”衛星仍(reng)然(ran)捷報(bao)頻傳。

6月15日,中國科學院院士、愛游(you)戲app教授潘建偉領銜的合作團隊在《自(zi)然》發表論文,在國際上首次實現了基于糾纏的無(wu)中繼(ji)千公里級量子(zi)保密通信。這也是“墨子(zi)號”4年(nian)間產生(sheng)的第5篇《自(zi)然》《科學》論文。

隨著一項項科學實(shi)驗(yan)的成功,衛(wei)星量(liang)子通信的應(ying)用(yong)前景日益清(qing)晰。

戰略布局占先機

7月23日,美(mei)國(guo)能源(yuan)部公布報告,規劃了美(mei)國(guo)“量(liang)子互聯網”戰略藍圖(tu)。歐盟早(zao)在2016年也(ye)提出過“歐洲量(liang)子技術旗艦計劃”,打算用10年建成量(liang)子互聯網。

可喜的是,我國在(zai)這(zhe)一領(ling)域,相關基礎研(yan)究和(he)工程(cheng)技術水平都處于國際引領(ling)地位。

今年3月,我國(guo)科學家剛剛創造了光纖(xian)量(liang)子(zi)通信509公里(li)(li)的新(xin)紀錄(lu)。同時(shi),“墨(mo)子(zi)號”保持著星地(di)之間1200公里(li)(li)量(liang)子(zi)通信的世界紀錄(lu)。“墨(mo)子(zi)號”和“京滬干線”的成功實施,構建了國(guo)際(ji)首(shou)個天地(di)一體的廣域量(liang)子(zi)通信網絡雛形。

之所以能“起個大早、趕個早集”,得(de)益于潘建偉(wei)的(de)戰略眼光與布局。

量(liang)子科技研究主要集中在量(liang)子通(tong)信、量(liang)子計(ji)(ji)算和量(liang)子精密測量(liang)等領(ling)(ling)域,有多(duo)光(guang)子糾纏(chan)、光(guang)量(liang)子計(ji)(ji)算、超(chao)冷(leng)原子量(liang)子模擬(ni)(ni)、光(guang)晶格量(liang)子模擬(ni)(ni)、量(liang)子中繼器等諸(zhu)多(duo)方向。這么(me)多(duo)學科方向,一個(ge)人(ren)不(bu)可(ke)能(neng)包打(da)天下。從單槍(qiang)匹(pi)馬(ma)到帶領(ling)(ling)一支(zhi)近百人(ren)的團隊,潘建(jian)偉用(yong)了10多(duo)年時(shi)間。

本世紀(ji)初(chu),量子科(ke)(ke)技(ji)在中國(guo)(guo)還(huan)頗為冷門。潘建偉也面臨著(zhu)學(xue)(xue)科(ke)(ke)方向不被理解、申請(qing)經(jing)費四(si)處(chu)碰(peng)壁的(de)困境。在人(ren)手緊缺的(de)情況下,他卻(que)果(guo)斷地(di)把(ba)優秀學(xue)(xue)生紛(fen)(fen)紛(fen)(fen)送走。德(de)國(guo)(guo)海德(de)堡大學(xue)(xue)、奧地(di)利因斯布(bu)魯克大學(xue)(xue)、美國(guo)(guo)斯坦福大學(xue)(xue)、英國(guo)(guo)劍橋(qiao)大學(xue)(xue)、瑞士日內瓦大學(xue)(xue)……這些量子科(ke)(ke)學(xue)(xue)和技(ji)術(shu)頂尖團隊所在地(di),都留(liu)下了(le)潘建偉弟子學(xue)(xue)習的(de)身影。如今,各研究室(shi)獨當一面的(de)負責人(ren)正是當年(nian)那些漂流四(si)海的(de)年(nian)輕人(ren)。

“墨(mo)子(zi)號”量子(zi)糾(jiu)纏源分(fen)系統主任(ren)設計師(shi)印娟的成長路(lu)線(xian)卻略有(you)(you)不(bu)同。2002年(nian),大二結束的暑假,印娟來到潘(pan)建(jian)偉(wei)實驗室,成為實驗室第(di)一(yi)(yi)位(wei)女生,從此再(zai)沒有(you)(you)離開。2017年(nian),“墨(mo)子(zi)號”千公(gong)里級星(xing)地雙向量子(zi)糾(jiu)纏分(fen)發實驗成功(gong),以封(feng)面論文的形(xing)式發表(biao)在《科(ke)學(xue)》,印娟成為團隊里第(di)一(yi)(yi)個同時擁有(you)(you)《自然(ran)》和《科(ke)學(xue)》第(di)一(yi)(yi)作(zuo)者身份的科(ke)學(xue)家。

善(shan)于布局,也安心等待。這樣的一支團隊,一出手就是“大”成果不足(zu)為奇。

敢想敢干出奇跡

“墨子(zi)號”科(ke)學應用(yong)系(xi)統主任(ren)設計師任(ren)繼剛,至今(jin)仍清楚地記(ji)得讀博(bo)時第一次(ci)聽潘建偉作報告的(de)情景。“太神(shen)奇了,就像聽一個科(ke)幻(huan)故事。”他(ta)回憶(yi)說。

在場的很多(duo)人可能也(ye)跟任繼(ji)剛一樣,把量子(zi)科(ke)技當成(cheng)科(ke)幻故事。而(er)作報告的那個人卻是認真的。

2003年,潘(pan)建偉陷入量子通(tong)信(xin)研究瓶(ping)頸。由(you)于光(guang)(guang)子在光(guang)(guang)纖傳(chuan)輸時損耗太(tai)大,傳(chuan)輸100公(gong)里只剩下1%的信(xin)號到達(da)接收端。而外太(tai)空因(yin)為幾乎真空,光(guang)(guang)信(xin)號損耗非常小,潘(pan)建偉破天(tian)(tian)荒地提出了“上天(tian)(tian)”這(zhe)個(ge)“大膽且瘋狂”的方案。

當時,他(ta)向博(bo)士生彭承(cheng)志(zhi)科普(pu)量子通信的發(fa)展前景(jing),當說到需要通過太空實(shi)現長(chang)距離傳輸時,彭承(cheng)志(zhi)認為“這是(shi)一(yi)個遙不可及的夢想(xiang)”。他(ta)問(wen)潘建(jian)(jian)偉(wei):“這個事,是(shi)不是(shi)挺牛(niu)的?”潘建(jian)(jian)偉(wei)想(xiang)了想(xiang),很(hen)肯定地回答:“肯定牛(niu),是(shi)世界上最牛(niu)的,至少是(shi)之(zhi)一(yi)。”

帶著這樣的信(xin)念,他們在合肥大(da)蜀山山頂開始了第(di)一個實(shi)驗(yan),于(yu)2005年實(shi)現(xian)了13公里的量子糾(jiu)纏分發。這個傳輸(shu)距(ju)(ju)離超過了大(da)氣層的等效(xiao)厚度,從而證實(shi)了遠距(ju)(ju)離自(zi)由空間量子通信(xin)的可行性。

2009年,團(tuan)隊在(zai)青海湖開(kai)展(zhan)百公(gong)里(li)(li)量子(zi)糾纏分發實驗。當時,團(tuan)隊里(li)(li)的(de)3位主力——2007年博(bo)士畢業的(de)任繼剛、2009年博(bo)士畢業的(de)印娟、2010年將要博(bo)士畢業的(de)廖(liao)勝凱,后來(lai)分別成為“墨子(zi)號”3個分系統主任設計師(shi)。

島上(shang)通信信號(hao)極差(cha),幾位年輕人沒什么消遣,晚上(shang)做(zuo)實(shi)驗,白天(tian)借(jie)著搭建的無線網橋開例會。2012年,團隊在國際(ji)上(shang)首次實(shi)現(xian)百公(gong)里量(liang)級的自由空(kong)間(jian)量(liang)子隱形傳態(tai)和糾纏分發。

2017年,利用(yong)“墨子(zi)號”,他們將量(liang)(liang)子(zi)糾纏分發(fa)的距離再提高一(yi)個量(liang)(liang)級(ji),達到(dao)1200公里(li)。

從(cong)大蜀山的(de)(de)13公里到(dao)天地(di)間的(de)(de)上千公里,潘建偉團隊一(yi)步一(yi)個腳印,從(cong)無到(dao)有地(di)驗證了量子通信(xin)的(de)(de)可行性。

“率先行動”很給力

中國(guo)科(ke)學(xue)院院士、科(ke)技部原部長徐冠(guan)華曾公(gong)開(kai)指出,我國(guo)對自身科(ke)學(xue)研究(jiu)能力不自信(xin),“在(zai)科(ke)技項目的確定過(guo)程中,習慣于拒絕支持有(you)爭議的項目,排斥(chi)沒有(you)國(guo)外先(xian)例的研究(jiu)”。

當(dang)年的潘建偉,面對的就(jiu)是這樣的窘境。

2003年,潘建(jian)偉(wei)首次提出利用衛星實現(xian)自(zi)由空間量子通信的(de)構想。這個“前無古人(ren)、聞所(suo)未(wei)聞”的(de)想法(fa)立即遭到多(duo)方質疑(yi):量子信息科學(xue),歐(ou)洲美國都剛(gang)剛(gang)起步,我們(men)為什么現(xian)在要做?

這個“不靠譜(pu)”的(de)計劃卻獲得了(le)中國(guo)(guo)科學(xue)院的(de)支(zhi)持。2011年底,中國(guo)(guo)科學(xue)院空(kong)間科學(xue)先導(dao)專項正式立項“量(liang)子科學(xue)實驗(yan)衛星”,自(zi)此打(da)開(kai)了(le)量(liang)子世界的(de)大門。

2014年(nian)(nian),中(zhong)國科(ke)學院啟動(dong)實(shi)施“率先行(xing)動(dong)”計劃(hua),給(gei)“墨子(zi)(zi)(zi)號”研(yan)制團(tuan)隊帶(dai)來了“集團(tuan)軍”的支持。當年(nian)(nian)10月(yue)(yue),中(zhong)國科(ke)學院量子(zi)(zi)(zi)信息與量子(zi)(zi)(zi)科(ke)技(ji)前沿卓越創新(xin)中(zhong)心(xin)率先成立,2017年(nian)(nian)5月(yue)(yue)更(geng)名為量子(zi)(zi)(zi)信息與量子(zi)(zi)(zi)科(ke)技(ji)創新(xin)研(yan)究(jiu)(jiu)院。這使得愛游戲(xi)app同(tong)中(zhong)國科(ke)學院上海技(ji)術(shu)物(wu)理(li)研(yan)究(jiu)(jiu)所(suo)、微小衛星創新(xin)研(yan)究(jiu)(jiu)院、光電(dian)技(ji)術(shu)研(yan)究(jiu)(jiu)所(suo)等都有(you)了更(geng)加緊密(mi)的合作關系(xi)。

中國科學(xue)院上海(hai)技術物理(li)研究所(suo)研究員、量子科學(xue)實驗衛(wei)星工程常務(wu)副(fu)總(zong)師(shi)王建(jian)宇曾(ceng)比(bi)喻稱:星地間量子糾纏分發的(de)(de)難度,就像在(zai)太空(kong)中往地面的(de)(de)一個存錢罐里(li)扔(reng)硬幣,而(er)且(qie)天(tian)空(kong)中的(de)(de)“投擲者(zhe)”相對(dui)地面上的(de)(de)“存錢罐”還在(zai)高速運(yun)動。

在“率(lv)先行(xing)動(dong)”計(ji)劃的支持下,這樣一項看似“不可能的任務”最終順利完成。“我們的合作體現出(chu)了創新(xin)研究院的價值(zhi),那就是集中力(li)量干大事。”潘(pan)建偉說。

中國科學院院長、黨組書記白春禮評價(jia)稱,“墨子號(hao)”為(wei)中國在國際上搶(qiang)占了(le)量子科技創新(xin)制高點(dian),成為(wei)了(le)國際同(tong)行的標桿,實現(xian)了(le)“領跑者(zhe)”的轉變。

天時、地(di)利、人和(he),量(liang)子團隊的下一個“驚喜(xi)”也許很快就會(hui)到(dao)來。(陳歡歡)

科學網(wang)2020年09月(yue)13日

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