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潘建伟:2030年力争建成全球化量子通信网络
发布日期:2017-10-29 来源:环球科学ScientificAmerican
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2017年9月9日,2017年“未来科学大奖”在北京望京昆泰酒店揭晓。摘得物质科学奖的,是一个在中国乃至世界科学界炙手可热的名字:潘建伟。

潘建伟,九三学社中央常委、量子信息实验和量子通信领域的领军人、中国科学技术大学常务副校长,他在量子光学技术方面的创造性贡献,使基于量子密钥分发的安全通信成为可能。记者对这位正在影响这个时代的科学家进行了专访。

10月13日晚上9点,接到记者的电话时,出差中的潘建伟刚刚到达酒店,放下行李。聊起去年发射的全球瞩目的“墨子号”量子科学实验卫星时,潘建伟的话语中仍有兴奋感:“我当时非常激动,情不自禁的双手合十,‘墨子号’进入轨道之后,心才放下”。

20多年前,当潘建伟还是中国科学技术大学的本科生时,量子物理其实让他非常困惑,薛定谔的猫、量子叠加态、量子纠缠,这些超越常理的特性令他难以理解。他搞不明白,为什么一只猫会处于既死又活的状态,按照常识,一只猫只能是死的或者活的;为什么两个粒子,相处很远,没有任何联系,却像有心灵感应一样彼此影响。难道确如爱因斯坦所说,量子纠缠是“幽灵的作用”?

虽然无法理解量子力学中的很多特性,但潘建伟并不甘心,他决定通过实验来解开自己的疑惑——在随后的20年多年里,他在量子光学技术上取得了一系列突破,这些突破带来的将是无条件安全的通信,以及未来计算能力的大幅度提高。这些突破也使潘建伟成为了量子信息实验领域的领军人,量子通信领域的领先者,更使中国在量子通信领域保持着国际领先地位。

2017年9月9日,因为在量子光学技术方面的创造性贡献,使基于量子密钥分发的安全通信成为可能,潘建伟获得了2017年“未来科学大奖·物质科学奖”。

出去是为了回来

年轻时,潘建伟有两个偶像——世界著名物理学家杨振宁和李政道,他们一同因发现弱作用中的宇称不守恒而获得1957年的诺贝尔物理学奖。潘建伟常常在想,华人在国外可以做出卓越的成就,那我在国内应该也可以。

但在上世纪90年代的中国,物理理论、实验方面的储备并不充足,不管是人才还是实验设施都不完备,如果潘建伟想要解决他对量子力学的困惑、完成他的梦想,用实验验证量子力学的基本问题,那就只能出国。

1996年国庆节之后,潘建伟来到了奥地利首都维也纳,然后转乘火车前往奥地利西南部城市因斯布鲁克。舟车劳顿的潘建伟放下行李径直来到他的导师、量子实验研究的世界级大师安东·蔡林格(Anton Zeilinger)的办公室。蔡林格问他:“你将来有什么打算?”潘建伟没有多想,脱口而出:“我想在中国建一个像您的实验室一样的世界一流量子光学实验室。”

在奥地利,世界一流的实验条件让潘建伟的梦想一步一步走向现实。1997年,潘建伟作为第二作者,参与量子态隐形传输实验,取得“量子信息实验领域的突破性进展”,这个实验被公认为量子信息实验领域的开山之作,欧洲物理学会将其评为世界物理学当年的十大进展,美国《科学》(Science)杂志也将这一成果列为年度全球十大科技进展;1998年,实现纠缠态交换实验;2000年,实现三光子纠缠及其非定域性检验……在因斯布鲁克,潘建伟逐渐掌握了光的调控、传输、探测等技术。

但潘建伟一直没忘记回国建立实验室的计划。从1997年开始,每年假期,他都会从奥地利回到中国科技大学讲学,为中国在量子信息领域的发展提出建议,并带动一批研究人员进入该领域。

2001年,潘建伟回国工作,在中国科技大学建立了量子物理与量子信息实验室,为实现几年前的愿望——像蔡林格那样,建立一个世界一流量子光学实验室——迈出了重要一步。实验室需要的学科非常庞杂,光学、电子学、真空等诸多门类缺一不可,因此从2003年开始,潘建伟不断派出访问学者,去世界各大顶级实验室学习。潘建伟自己也过上了国内国外两边跑的生活,一方面在中国科技大学的实验室大力发展光量子信息技术,另一方面以玛丽·居里讲席教授的身份在海德堡大学物理系组建实验室,并获得了多个基金的支持,从国内招收研究生和博士后,为我国培养冷原子量子存储方面的研究力量。

到2008年,潘建伟经过十余年的技术、人才储备,已经积累了大量的研究成果,中国在光量子纠缠等领域,也已处于国际领先水平。2009年初,潘建伟将他在海德堡大学的实验室整体搬回中国科技大学,“搬家的清单足足列了120页,大到激光器,小到12毫米镜片。”

他和中国在量子科学领域的辉煌,正式拉开序幕。

20年做成一道“大菜”

潘建伟喜欢做菜,他觉得做菜获得的快乐与做实验有异曲同工之妙,经过各种材料的搭配,掌握着做菜的火候,看着家人品尝着热气腾腾的美食,成就感油然而生。

合适的食材搭配精准的技艺,美食才能色香味俱全。做物理实验涉及大量技术以及元器件,每一个都精确无误,才能保证实验的成功。与此类似,在筹备“墨子号”量子科学实验卫星时,潘建伟也得实现多个技术上的突破,并保证上万个元器件在太空中正常运转。

其中一个技术难点就是如何让单光子穿过大气层,到达地面接收站,实现单光子远距离传输。2003年,潘建伟就在带领团队研究这个问题,他们用了两年的时间,在2005年发表了突破性的论文《13公里自由空间纠缠光子分发:朝向基于人造卫星的全球化量子通信》,解决了光子穿越大气层的技术难题。

单光子达到地面接收站,探测器如何识别也是难点之一。即使在晚上,月光、星光、背景光,环境干扰也很多。一个15瓦的电灯泡每秒钟可以发出万亿亿个光子,可想而知探测器要识别出指定的一个光子有多大的难度。“最后,我们用了几种技术,一种是时间的同步技术,保证光子都在什么时间到达接收器,这样我就知道其他时间来的都是不需要的信号了。第二,在那个时间段,也有其他的光子进来,我需要把我们的光子的波长,限制的非常窄,在探测器前面放一个滤波片,就像闸门一样,只让波长符合要求的光子进来。”利用这样的技术才能保证检测到指定的光子。

许许多多的技术难点,都被潘建伟和同事一一破解。就在大家觉得关键核心技术已经被攻克的时候,“墨子号”发射前的半年,一次检查让潘建伟又紧张起来。为了确认“墨子号”所承载的仪器能否承受太空中宇宙射线的“狂轰滥炸”,它们被送到欧洲核子研究中心(CERN)进行检验。原本,卫星的设计寿命是两年,但是,CERN的实验表明,在宇宙射线的“轰炸”下,探测器几天就“死亡”了。发射时间迫近,潘建伟和他的团队抓紧一切时间、调动资源来寻找应对方案。“我们试过给探测器穿上很厚的金属衣,但没有什么用。”

在尝试了各种技术之后,潘建伟和同事发现,在极低温的情况下,探测器的寿命可以变得比较长,最终解决了这个问题。在接受记者采访时,潘建伟感叹说,“一路走来,我们经历了比较多的坎坷,基于国家空间技术的优势,把这些技术集成起来之后,才非常幸运地走到了国际的前面。”目前,“墨子号”已经运行一年有余,所有元器件不仅都在正常工作,更是提前一年完成了所有既定的科学目标,实现了多个世界第一。这盘大菜,潘建伟做得色香味俱全。

第二次量子革命

作为量子力学的产物,电子学革命将我们带入了计算机时代,光子学革命将我们带入信息时代。而量子密码将把世界带入“绝对安全”的通信时代,量子计算机在未来将以指数级的速度超越传统计算机。

潘建伟说,以相对论和量子力学为代表的第二次科学革命,直接催生了以信息技术为代表的第三次产业变革。“而科学家在过去一百年中检验量子力学的时候发展出来的能力,也就是量子调控,同样蕴含着变革产业的力量,我们把它叫做第二次量子革命。这主要就涉及到我目前正在做的事情,也就是量子信息科技。”就像量子力学突破牛顿力学一样,量子信息科技也将突破传统信息科技的限制。

现在,潘建伟和同事花费大量精力在做的事情,是量子信息科技的一个方向——量子通信。经典通信的安全性依赖于计算复杂度,随着计算能力的飞速发展,传统的信息安全面临着越来越大的风险。量子通信的安全性基于物理学基本原理,克服了经典通信固有的安全隐患,可以实现信息传递的“无条件安全”。潘建伟用十几年的时间,将量子通信从理论带入实验再带到实用。

2012年,潘建伟团队建成了国际上规模最大的量子通信网络“合肥城域量子通信试验示范网络”(覆盖6000平方公里),这标志着大容量的城域量子通信网络技术已经成熟。2014年他们又在济南建立了中国第一个以承载实际应用为目标的“济南量子通信试验网”,也是世界上已知的规模最大、功能最全的量子通信网络。

2017年9月,潘建伟领导的世界第一条千公里级量子保密通信骨干线路——中国国家量子保密通信“京沪干线”开通,实现了连接北京、上海,贯穿济南、合肥,全长2000余公里的量子通信网络,全线路密钥率大于20kbps,可以满足上万用户的密钥分发业务需求。截至2017年年初,济南量子通信实验网内已经进行了51 000多次信息传输,其中包括保密电话、传真和文件传输,成功率在99%以上。

20余年的时间,潘建伟的量子梦正在一步步走入现实,“京沪干线”结合量子科学实验卫星,初步构建了中国天地一体化的广域量子通信体系。潘建伟告诉我们,未来,中国还将陆续发射多颗量子卫星,“力争在2030年前后率先建成全球化的广域量子保密通信网络。”(李晓慧)