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访潘建伟团队:量子理论如何为我所用

时间:2016年08月16日 信息来源:中国科学报 点击: 【字体:

推开量子世界之门


——访2015年度国家自然科学奖一等奖得主“多光子纠缠及干涉度量”团队


1月8日,国家自然科学奖一等奖揭晓,中国科学技术大学潘建伟、彭承志、陈宇翱、陆朝阳、陈增兵为主要完成人的“多光子纠缠及干涉度量”团队获此殊荣。


此前一个月,英国物理学会新闻网站《物理世界》评选出的2015年度国际物理学十大突破公布,潘建伟和陆朝阳因首次实现同时量子隐形传输一个基本粒子(光子)的两个内秉属性的工作入选,并位列榜首,这也是中国本土完成的工作首次获此荣誉。


什么是“多光子纠缠及干涉度量”


简单地说,就是根据量子物理原理提供的一种全新方式对信息进行编码、存储、传输和逻辑操作,并对光子、原子等微观粒子进行精确操纵,以确保通信安全和提升计算速度等方面可以突破经典信息技术的瓶颈。


“实现对多粒子纠缠的相干操纵是量子信息技术的关键科学任务,也是量子信息处理的核心物理资源。”潘建伟说,正如2012年诺贝尔物理学奖获得者Wineland所指出的,“纠缠粒子数越多,量子力学非定域性越强烈,对量子信息处理也越有用”。


2004年,潘建伟团队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,这一成果被《自然》杂志发表,并同时入选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,潘建伟团队分别于2007年制备出六光子纠缠、2012年制备出八光子纠缠,并一直保持着纠缠光子数目的世界纪录。


在此基础上,团队于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。


“这次获奖,是对我们多年来深耕在量子领域的肯定。当然这还远远不够,未来还有更难啃的‘硬骨头’,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。”潘建伟说。


量子理论如何为我所用


量子有着诸如未知量子态不可复制、量子非定域性等不同于宏观物理世界的奇妙特性,若能掌握这些特性,则有望实现对信息处理能力革命性的突破。例如量子具有叠加性,如果能制造出100个粒子相干操纵的量子计算机,在某些问题方面的处理能力将会比目前最快的超级计算机“天河二号”还快百亿亿倍。


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,可以实现从A地到B地的瞬间传输。


潘建伟团队有着明确的科研路线图: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等等。


团队牵头承担的中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”将于今年发射,届时可以实现高速星地量子通信、并连接地面的城域量子通信网络,初步构建我国广域量子通信体系。


“科研需要长远规划”


“科研需要长远规划和群体作战,不能单打独斗”。潘建伟从2001年就开始人才布局。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中不吝赞美之词:“这标志着中国在量子通信领域的崛起,从十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……”


为什么能取得如此多的成果?“有好的机遇”,彭承志谦虚地说,“兴趣决定我们到底能走多远,坚持让我们时刻准备着”。


遇到过困难吗?“困难经常有”,刚完成博士论文时,潘建伟觉得光子纠缠的方向已经没法再深入了,“当时很困惑”,然而坚持下来,却是柳暗花明。


争论是这个团队的常态,团队成员、菲涅尔奖得主陈宇翱说,“在学术问题上,我们经常‘吵架’。”潘建伟说,“我随时准备改变我的想法,团队的开放包容和紧密合作才能促进各自的成长。”


一份坚定的家国情怀


潘建伟始终不忘一点,个人的命运是和国家紧密相连的,当年毅然回国,就是想“通过科学研究进一步提升国力、造福人类”。


“德国有着发达的科学技术和精良的制造业,这些都为德国的经济发展起了强大的推动作用,而经济发展最直接的受益者就是普通百姓。”潘建伟现在思考的是,科学家在基础研究之外,如何注意科技成果的转化,为经济发展作贡献。


“科学研究不仅要仰望星空,也要脚踏实地。”潘建伟感慨,“我们不仅要关注原始创新,也要鼓励成果转化,为国计民生做些事情,让普通老百姓享受科技带来的利益。”


(作者:刘爱华)
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