2016年1月8日，潘建偉院士及其團(tuán)隊(duì)無疑成為中國(guó)科學(xué)界最閃耀的明星。這一天，由潘建偉、彭承志、陳宇翱、陸朝陽、陳增兵組成的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)多光子糾纏及干涉度量研究團(tuán)隊(duì)，獲得了2015年度國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。他們憑借在多光子糾纏及干涉度量上的重要研究和發(fā)現(xiàn)，取得了量子通信、量子計(jì)算等領(lǐng)域的系統(tǒng)性關(guān)鍵突破。

目前，世界各國(guó)和地區(qū)的相關(guān)科學(xué)家在抓緊傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域你追我趕的同時(shí)，都早已把目光轉(zhuǎn)向量子力學(xué)與現(xiàn)代信息科學(xué)“雙劍合璧”的全新領(lǐng)域，力圖首先制造出運(yùn)算速度和性能都不可思議的量子計(jì)算機(jī)，搶先開啟本國(guó)的“量子時(shí)代”。對(duì)這個(gè)在量子科學(xué)研究領(lǐng)域屹立于世界領(lǐng)先位置的潘建偉團(tuán)隊(duì)來說，他們的獲獎(jiǎng)實(shí)至名歸。

不可思議的

量子信息科學(xué)

在當(dāng)今信息技術(shù)中，量子力學(xué)僅僅用來研究半導(dǎo)體和激光的物理性質(zhì)，信息的傳輸和處理還只屬于經(jīng)典物理學(xué)，而直接利用量子力學(xué)來傳輸和處理信息，則是植根于量子物理學(xué)的新一代信息科技，它將引領(lǐng)下一次信息革命，把人類帶到信息時(shí)代的頂峰。

量子信息的基本單元為“量子比特”。經(jīng)典比特是固定的0或1，而量子比特可以同時(shí)表示0和1這兩個(gè)數(shù)值，即量子力學(xué)中的疊加態(tài)。量子信息科技通過對(duì)光子、原子等微觀粒子進(jìn)行精確的人工操縱方式對(duì)信息進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)、傳輸和調(diào)制，在提高運(yùn)算速度和確保信息安全等方面都突破了經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。

量子信息科技主要包括量子通信、量子計(jì)算等研究方向，這已經(jīng)成為物理學(xué)和信息科學(xué)最活躍的研究前沿之一。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在量子信息科技研究上具有一定的優(yōu)勢(shì)，其中在量子通信領(lǐng)域更是世界領(lǐng)先。

潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)百千米級(jí)自由空間量子通信。

量子通信可分為量子保密通信和量子比特傳輸兩個(gè)研究方向。其中量子保密通信是以量子密鑰分發(fā)技術(shù)為核心，結(jié)合數(shù)字通信和對(duì)稱密碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新型保密通信技術(shù)。量子密鑰分發(fā)技術(shù)利用了著名的BB84協(xié)議，該協(xié)議以“量子態(tài)不可精確克隆”的性質(zhì)為基礎(chǔ)，通過單光子的量子態(tài)建立量子密鑰。密鑰具有不可復(fù)制性，能夠從根本上排除竊聽，因此量子保密通信是迄今唯一被嚴(yán)格證明是“無條件安全”的通信方式，可以從根本上解決政務(wù)、國(guó)防、金融、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問題。

量子比特傳輸則是利用量子糾纏來傳輸量子比特，可分為量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)兩個(gè)階段。量子糾纏是指粒子在由兩個(gè)或兩個(gè)以上的粒子組成的系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)象，這種影響不受距離的限制，即使兩個(gè)粒子分隔在直徑達(dá)10萬光年的銀河系兩端，一個(gè)粒子的變化仍會(huì)瞬間影響另外一個(gè)粒子。量子糾纏分發(fā)不但可以驗(yàn)證量子力學(xué)的非定域性，還可以在此基礎(chǔ)上傳輸任意量子比特（即實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)），為未來量子計(jì)算機(jī)之間的通信建立基礎(chǔ)。

發(fā)展量子通信的終極目標(biāo)是構(gòu)建廣域乃至全球范圍的絕對(duì)安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。通過光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)連接一個(gè)中等城市內(nèi)部的通信節(jié)點(diǎn)，通過量子中繼實(shí)現(xiàn)鄰近兩個(gè)城市之間的連接，通過衛(wèi)星與地面站之間的自由空間光子傳輸和衛(wèi)星平臺(tái)中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的連接，是實(shí)現(xiàn)全球范圍量子通信最理想的路線圖。

量子計(jì)算具有超快的并行計(jì)算能力，會(huì)突破摩爾定律的限制，可為密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、礦產(chǎn)勘探和藥物設(shè)計(jì)，以及網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)等大量信息處理提供解決方案，它是量子信息研究的重中之重。量子模擬可揭示高溫超導(dǎo)、慣性約束核聚變等系統(tǒng)復(fù)雜的物理機(jī)制，為先進(jìn)材料制造和新能源開發(fā)奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

量子計(jì)算通過量子比特的量子疊加態(tài)可以同時(shí)運(yùn)算多個(gè)數(shù)值，即真正意義上的“平行計(jì)算”，效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算的一個(gè)重要應(yīng)用就是 “舒爾算法”，該算法在大數(shù)分解的計(jì)算中相比傳統(tǒng)算法具有革命性的優(yōu)勢(shì)。目前很多加密算法（例如RSA加密）的安全基礎(chǔ)就在于無法利用普通計(jì)算機(jī)在有限的時(shí)間內(nèi)對(duì)于一個(gè)大數(shù)進(jìn)行分解，而量子計(jì)算機(jī)卻不在話下，它將使目前的加密系統(tǒng)都不堪一擊。另一個(gè)量子計(jì)算機(jī)的重要應(yīng)用是“Grover搜索算法”，即通過量子計(jì)算的并行能力，同時(shí)給整個(gè)數(shù)據(jù)庫做變換，用最快的步驟搜索到需要的數(shù)據(jù)。Grover搜索算法遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)搜索速度，將對(duì)未來互聯(lián)網(wǎng)的搜索引擎產(chǎn)生巨大影響。

鑒于量子信息科技的重要意義，我國(guó)政府高度重視該領(lǐng)域的發(fā)展。在國(guó)務(wù)院發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中就將“量子調(diào)控研究”列入科技部6項(xiàng)“重大科學(xué)研究計(jì)劃”之一。此外，在國(guó)務(wù)院最新正式印發(fā)的《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中列舉的面向2030年的15個(gè)重大科技項(xiàng)目中，“量子通信和量子計(jì)算”也成為最先開展的4個(gè)重大專項(xiàng)之一。

我國(guó)量子通信

領(lǐng)跑世界

量子通信是量子信息領(lǐng)域中最先實(shí)現(xiàn)實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的研究方向。而中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在這個(gè)方向上一直走在世界的最前沿。

在量子通信城域網(wǎng)絡(luò)方面，中科大于2007年首次使光纖量子通信的安全距離突破100千米。繼而在2008年，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，并利用上述成果為“2009年國(guó)慶60周年大閱兵”關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)間構(gòu)建了“量子通信熱線”，為重要信息的安全傳送提供了保障。

實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星量子通信的全方位地面驗(yàn)證。

2009年，中科大又在世界上率先將采用誘騙態(tài)方案的量子通信距離突破至200千米。同年，中科大在安徽省蕪湖市建設(shè)了國(guó)際上首個(gè)量子政務(wù)網(wǎng)。

2012年，在安徽省政府和合肥市政府的大力支持下，以中科大的技術(shù)成果為支撐，合肥市建成了世界上首個(gè)規(guī)?；?6個(gè)節(jié)點(diǎn)）的量子通信網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)志著大容量的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成熟。同年，中科大研制的最新型量子通信裝備又在北京投入常態(tài)運(yùn)行，為“十八大”等國(guó)家重要政治活動(dòng)提供信息安全保障。

2013年底，在山東省政府的支持下，以中科大的技術(shù)成果為支撐建成的56節(jié)點(diǎn)的“濟(jì)南量子通信試驗(yàn)網(wǎng)”投入使用，并實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。這代表著我國(guó)的量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在實(shí)用化方面已達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。同年，中科大又在核心量子通信器件研究上取得重要突破，成功開發(fā)了國(guó)際上迄今最先進(jìn)的室溫通信波段單光子探測(cè)器，并利用該探測(cè)器在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了與測(cè)量器件無關(guān)的量子通信，成功解決了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中單光子探測(cè)系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患問題，大大提高了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中量子通信系統(tǒng)的安全性。

2013年，國(guó)家批準(zhǔn)立項(xiàng)的量子保密通信“京滬干線”由中科大承建，2016年年底全線貫通。該干線連接北京與上海，全長(zhǎng)2000余千米，是世界首條量子保密通信主干網(wǎng)。

2017年1月以來，研究人員對(duì)“京滬干線”進(jìn)行了各分系統(tǒng)的應(yīng)用測(cè)試和720小時(shí)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2017年9月，“京滬干線”通過技術(shù)驗(yàn)收，已具備開通條件。

在量子比特傳輸領(lǐng)域，早在1997年，潘建偉和同事們?cè)趭W地利就通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首次量子態(tài)隱形傳輸，成果入選美國(guó)《科學(xué)》雜志“年度十大科技進(jìn)展”，并被英國(guó)《自然》雜志選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”?；氐街锌拼蠛?，潘建偉團(tuán)隊(duì)在2005年就實(shí)現(xiàn)了距離達(dá)13千米的自由空間量子糾纏分發(fā)和量子通信，在國(guó)際上首次證明糾纏光子在穿透等效于整個(gè)大氣層厚度的地面大氣后，糾纏仍然能夠保持，并可應(yīng)用于高效、安全的量子通信，為后續(xù)自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

2010年，潘建偉團(tuán)隊(duì)又實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)國(guó)際上距離最遠(yuǎn)的（16千米）自由空間量子態(tài)隱形傳輸。2012-2013年間，潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了百千米自由空間量子態(tài)隱形傳輸和糾纏分發(fā)，并實(shí)現(xiàn)了星地量子通信可行性的全方位地面驗(yàn)證。這些研究工作通過地基實(shí)驗(yàn)堅(jiān)實(shí)地證明了，基于衛(wèi)星的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)和開展空間尺度量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)是可行的。

2017年7月，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次成功地實(shí)現(xiàn)了白天遠(yuǎn)距離（53千米）自由空間量子密鑰分發(fā)，通過地基實(shí)驗(yàn)在信道損耗和噪聲水平方面有效驗(yàn)證了未來構(gòu)建基于量子星座的星地、星間量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行性。

在量子中繼研究方面， 2003年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了普適的量子糾纏純化。2008年，潘建偉團(tuán)隊(duì)利用冷原子量子存儲(chǔ)首次實(shí)現(xiàn)了具有存儲(chǔ)和讀出功能的糾纏交換，完美演示了量子中繼器。2012年，潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上綜合性能最優(yōu)的長(zhǎng)壽命、高讀出效率的量子存儲(chǔ)。

2012年至今，潘建偉團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”空間先導(dǎo)專項(xiàng)，這顆名為“墨子號(hào)”的衛(wèi)星已于2016年8月成功發(fā)射。衛(wèi)星的目標(biāo)是在世界上首次實(shí)現(xiàn)星地間的量子保密通信和量子比特傳輸。

可見，量子通信已經(jīng)成為我國(guó)為數(shù)不多的具有世界領(lǐng)先水平的尖端技術(shù)。2012年年底，英國(guó)《自然》雜志在評(píng)選“年度十大科技亮點(diǎn)”時(shí)專門報(bào)道了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在量子通信領(lǐng)域的研究成果，并指出：“在量子通信領(lǐng)域，中國(guó)用了不到十年的時(shí)間，由一個(gè)不起眼的國(guó)家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅……”2015年年底，潘建偉團(tuán)隊(duì)的“光子多自由度隱形傳態(tài)”實(shí)驗(yàn)被英國(guó)《物理世界》雜志評(píng)選為當(dāng)年的“世界物理學(xué)十大進(jìn)展”中的第一名。

令人期待的

我國(guó)量子計(jì)算研究

在量子計(jì)算研究領(lǐng)域，中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)一直在量子計(jì)算的核心資源“多粒子糾纏”的制備與操縱上處于國(guó)際領(lǐng)先地位。該團(tuán)隊(duì)始終保持著糾纏光子數(shù)目的世界紀(jì)錄，并利用多光子糾纏在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了Shor算法、Grover算法、求解線性方程組算法等一系列重要量子算法的演示，并于2012年實(shí)現(xiàn)了拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)演示，極大地提升了實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算的可行性。

2015年，該團(tuán)隊(duì)和阿里巴巴合作成立了“中科院-阿里巴巴量子計(jì)算聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，在保持光量子計(jì)算世界領(lǐng)先地位的同時(shí)，將大力推動(dòng)我國(guó)量子計(jì)算整體研究水平。

量子保密通信在可預(yù)見的未來將成為信息安全的重中之重，為我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)的信息安全保駕護(hù)航。而量子計(jì)算和量子比特傳輸將催生下一次信息革命，在未來構(gòu)建出計(jì)算速度更快、信息傳輸更安全的全量子互聯(lián)網(wǎng)，并在基于量子計(jì)算的人工智能上取得質(zhì)的飛躍，徹底改變?nèi)祟惖纳睢?