2015年年底，世界頂級物理雜志、英國物理學(xué)會下屬的《物理世界》公布了本年度國際物理學(xué)領(lǐng)域的10項重大突破，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、陸朝陽等以“多自由度量子隱形傳態(tài)”的研究成果入選，并榮登榜首。在量子研究領(lǐng)域，這僅僅是該團隊無數(shù)榮譽中的一項。在2015年度國家科技獎評獎中，潘建偉、彭承志等為主要完成人的“多光子糾纏及干涉度量”團隊，又摘得了我國自然科學(xué)領(lǐng)域最高獎項——自然科學(xué)獎一等獎。

實現(xiàn)對多粒子糾纏的相干操縱可以確保通信安全、提升計算速度

量子是微觀世界不可分割的基本個體。日常生活中的光，就由大量光量子組成。量子有不同于宏觀物理世界的奇妙特性，若能掌握其特征，則有望實現(xiàn)對信息處理能力革命性的突破。比如，利用量子的疊加性，制造出100個粒子相干操縱的量子計算機，就可能比目前最快的超級計算機“天河二號”還快百億億倍。

多光子糾纏，簡要地說就是利用量子的物理特征，進(jìn)行的一種對信息進(jìn)行編碼、存儲、傳輸和操作的全新方式，它能對光子、原子等微觀粒子進(jìn)行精確操縱，從而確保通信安全、提升計算速度。

上世紀(jì)90年代，物理學(xué)家在理論上證明，對微觀世界的物體而言，借助神奇的“量子糾纏”，可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點，而不用傳送物質(zhì)本身。但如何讓理論設(shè)想在實驗中實現(xiàn)，并搭建起量子傳輸?shù)?ldquo;通道”，推動產(chǎn)業(yè)利用，成為國際物理學(xué)爭相研究的問題。

早在2004年，潘建偉團隊就在國際上首次實現(xiàn)了五光子糾纏和終端開放的量子態(tài)隱形傳輸，在實驗上證明了這種可能性。該成果被《自然》雜志發(fā)表，并入選當(dāng)年英國物理學(xué)會和美國物理學(xué)會評選出的年度國際物理學(xué)重大進(jìn)展。此后，該團隊在2007年制備出六光子糾纏，2012年又制備出八光子糾纏，目前還保持著糾纏光子數(shù)目的世界紀(jì)錄。潘建偉團隊成員之一、中科大教授陸朝陽表示，要爭取在未來5年內(nèi)，實現(xiàn)20至30個光子的糾纏。

“實現(xiàn)對多粒子糾纏的相干操縱是量子信息技術(shù)的關(guān)鍵，也是量子信息處理的核心物理資源。”潘建偉說。物理學(xué)界認(rèn)為，糾纏粒子數(shù)越多，對量子信息處理就越有用。

在研究基礎(chǔ)上，潘建偉團隊2007年在國際上首次實現(xiàn)了安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，2008年實現(xiàn)了國際上首個全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，2012年建成首個規(guī)模化量子通信網(wǎng)絡(luò)。

潘偉健說，要實現(xiàn)有實用價值的量子模擬機和量子計算機的基本功能，起碼要實現(xiàn)幾十到上百個量子比特的糾纏，獲獎是對團隊多年在量子領(lǐng)域耕耘的肯定，但還有很多工作要做。

在10年到15年里，每個人的手機里都有望植入一個量子加密芯片

《西游記》中，孫悟空一個“筋斗云”就能越過十萬八千里，當(dāng)時人們或許沒料到，數(shù)百年后，科學(xué)家已經(jīng)在微觀粒子的層面上讓“筋斗云”變成現(xiàn)實——利用量子糾纏發(fā)展出的量子隱形傳態(tài)，可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點，像“筋斗云”瞬間傳輸。

“我們帶著一個保險箱去北京開會，而保險箱的鑰匙落在合肥了，在合肥的同事可以通過量子隱形傳態(tài)將鑰匙的每一個特征都精確傳送到北京，而在此過程中他并不掌握這把鑰匙的任何信息。”潘建偉說。

推開量子奇妙世界，潘建偉團隊有明確的科研路線圖：通過量子通信研究，從初步實現(xiàn)局域量子通信網(wǎng)絡(luò)，到實現(xiàn)多橫多縱的全球范圍量子通信網(wǎng)絡(luò)，以保證信息傳輸?shù)慕^對安全;通過量子計算研究，為大規(guī)模計算難題提供解決方案，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)時代信息的有效挖掘;通過量子精密測量研究，實現(xiàn)新一代定位導(dǎo)航……

與此同時，潘建偉和團隊的一系列成果也得到了各方認(rèn)可：該團隊的成果8次入選兩院院士評選的“年度十大科技進(jìn)展新聞”，1次入選《自然》雜志評選的“年度十大科技亮點”，3次入選英國物理學(xué)會評選的“年度物理學(xué)重大進(jìn)展”，3次入選美國物理學(xué)會評選的“年度物理學(xué)重大事件”。

2007年，英國《新科學(xué)家》雜志曾在“中國崛起”特刊中高度評價道，“潘和他的同事使得中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)——因而也是整個中國——牢牢地在量子計算的世界地圖上占據(jù)了一席之地”;2012年，英國《自然》雜志在報道該項目團隊量子通信研究成果的新聞特稿“量子太空競賽”中不吝贊美之詞：“這標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美……”

有人質(zhì)疑，量子信息基礎(chǔ)研發(fā)成本高昂，目前技術(shù)還不夠成熟，實用性非常小，值得如此高投入嗎?面對質(zhì)疑，潘建偉并不否認(rèn)，但他相信這是階段性難題，“隨著技術(shù)進(jìn)步，很多成本都會降下來。光纖剛問世的時候只能造幾十厘米，當(dāng)時沒人能想到，幾十年后我們的地下會建成這么完備的光纖網(wǎng)絡(luò)。”

潘建偉說，沒有多少人預(yù)料到互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在上個世紀(jì)后半段的飛速成長，量子信息技術(shù)同樣也可能給世界帶來驚喜。他相信，由于高安全性的優(yōu)勢，在未來5年左右的時間里，量子通信技術(shù)將在金融機構(gòu)、國防政務(wù)、大數(shù)據(jù)中心有大用途。在10年到15年時間里，每個人的手機里都有望植入一個量子加密芯片。