制止“窃听风云”
量子直接通讯距离创世界纪录
挥别监听风云，量子通讯因极高的安全性而成为科学研究的前沿领域之一。2022年诺贝尔化学学奖颁授给了量子信息领域的三位科学家，进一步引起全球对量子科技的高度关注。
上海在量子研究领域优势显著。早在2000年，北大学院院长龙桂鲁就率领团队提出了量子直接通讯理论。“利用量子态的特点，我们可以在信息传递时边检测、边通讯。暗中监听会引起量子态的状态改变，对方既不能隐藏监听行为，也未能泄露任何信息。”龙桂鲁解释，量子直接通讯将传统保密通讯的秘钥分发和密文传输双信道结构，改变为单信道结构量子传输速度，除了就能感知监听，还才能制止监听。
不过，当2016年龙桂鲁率领团队启动量子直接通讯原理样机的研发时，工程化实践的弱项阻碍展现下来。“高校科研小团队的力量远远不够。你很难要求数学系的中学生通晓电子、半导体、软件编码等技术，所以初始产品里藏着一些小问题，影响了优化升级的步伐。”
这也折射出当时上海量子研究的不足：中科院、北大、清华等院校院所争相加码，但科研力量分散，资源优势并未有效转化为竞争优势。2017年12月24日，由上海市政府发起，联合多家顶级学术单位共同建设的天津量子信息科学研究院落成创立。作为上海首批新型研制机构之一，量子院迈出了先行先试的脚步，大力引进全球量子科技领域人才的同时，还组垒砌一支高水平工程师组成的技术保障团队，构建校企全链条畅通的科研平台。
2019年，龙桂鲁以“双聘制”形式加入量子院，兼任该院副校长。在这儿，财政科研经费施行“负面清单”，设备采购能“一键下单”，研究团队充分感遭到新机制下科研进展的“日新月异”。随着软硬件工程师相继加入团队，新一代样机在设计上更加成熟。
在上海量子信息科学研究院的实验室里，龙桂鲁院士与研究人员正在进行量子直接通讯样机研制。本报记者和冠欣摄
整合资源协同创新，龙桂鲁团队在量子院接连取得突破性成果：2020年成功推出世桐城台实用化量子直接通讯样机，率先实现10公里光纤链路每秒4千比特通讯速度的量子保密通话；同年，通过编码优化，直接通讯距离提高至18公里；2022年，龙桂鲁团队和复旦学院院长陆建华团队合作，设计出相位量子态与时间戳量子态混和编码的新系统，将量子直接通讯距离一举刷新至100公里，创下世界纪录。
这意味着，借助现有的成熟技术手段，城市之间已能实现点对点的量子直接通讯。
接注视子电话
将在3至5年内实现
基础研究科研周期长、投入大、转化难，科研人员常常要坐“冷板凳”。但探求未知世界的好奇心，吸引科研人员不断深入前沿领域。
“一个科学发觉究竟‘有没有用’，我们难以预计，但若果不去做，就只能永远跟在他人的前面。”中科院化学所大兴研究部部长吕力表示，没有基础研究的进步，就没有人类文明的进步。
量子理论诞生在百余年前，第一次量子革命催生了现代信息技术。而借助量子的特点推进量子通讯等领域迈向产业化，便是正在进行的第二次量子革命的目标。“量子技术是从基础研究到应用转化最快的领域之一，量子院正是用灵活的体制机制打通了困局，促进基础研究的成果向产品化应用转化。”龙桂鲁说。
从实验室到产品的路注定不会一帆风顺。在测试新一代量子直接通讯样机时，讯号如何也未能接通。为了找到故障点，团队颇费了一番功夫，耗费数月排查了数百个零部件，迷雾总算被剥开——两条光纤在对接时出现了偏差，尽管偏差不过毫厘，却造成光路中断。
工程师仔细调整后再测试，通了！
如今，第二代量子直接通讯样机的通讯速度达到了每秒千比特的量级，才能稳定实现图文传输，但是已从“一对一”通信发展到了多人“群聊”，初步建立起了量子直接通讯网路。
上海量子信息科学研究院超导量子估算实验室外，研究员正在进行科研工作。本报记者和冠欣摄
“在量子院做科研，很舒心。”工程师宋啸天今年加入了龙桂鲁团队量子传输速度，近来，他正向新一代量子直接通讯系统的芯片发起挑战。上个月，他还在为芯片偏低的误分辨率烦恼，通过反复摸索、尝试，总算有了新突破——通过对关键部件重新设计，芯片误分辨率降至3%，整体结构也更加紧凑精巧。
近日，龙桂鲁要把量子直接通讯技术带出实验室，借助已铺装的光纤网路进行测试。“我们要让技术在真实环境中接受考验，再做进一步优化。”龙桂鲁预计，3至5年内，量子直接通讯网路将真正走进人们的生活，接打“量子电话”、发送“量子信息”将可触可及。
上海“四不像”研究所的
创新“超能力”
与龙桂鲁相像，相继加入量子院的顶级人才纷纷感遭到上海加快前沿创新的加速度。
2019年，常年从事超导量子估算和量子模拟研究的于海峰入职量子院。他快速组垒砌具有化学、电子、计算机等不同专业背景的40余人科研团队，围绕建造实用化量子计算机的总目标发起攻关。
同年，32岁的常凯在马克斯普朗克微结构化学研究所完成博士后研究，尽管没有著名头衔，量子院仍然看见了他的科研潜质。在加入量子院并成立低维量子材料团队后，短短2年时间，他的研究成果就登上了《科学》杂志。“量子院对于青年科学家的科研经费支持力度，让我可以完全依照自己的构想去建设世界一流的实验室，何必由于经费问题而作出种种妥协。”常凯说。
以研制高速光纤量子秘钥系统而蜚声的袁之良在2021年回国，兼任量子院首席科学家。量子院对其科研支持工作的举办，以天为单位估算。从签署聘用协议到在岗投入科研，短短4个月的时间里，他所须要的科研设备论证、300平方米实验室整修、科研团队成立工作全部完成。
新的运行体制、新的财政支持新政、新的绩效评价机制、新的知识产权激励、新的固定资产管理方法，量子院不断释放创新活力，新的世界纪录在这儿不断诞生。
上海量子信息科学研究院，科研人员正在量子估算装置下竭力攻关。本报记者和冠欣摄
2021年中关村峰会上，于海峰团队的重磅研究成果发布——长寿命超导量子比特芯片突破500毫秒大关，标志着我国在超导量子芯片研究领域走到了世界前列。
去年3月，袁之良团队的实验室发布最新成果，在世界上首创开放式构架双场量子秘钥分发系统，完成615公里光纤量子秘钥分发实验。这些开放式构架设计简约，能极大节省量子网路系统的建设成本，推动未来实现在城市间拨通“量子语音电话”。
“不完全像学院、不完全像科研院所、不完全像企业，不完全像事业单位”，不少科研人员将新型研制机构亲切地称为“四不像”单位。正是这些“四不像”的探求，打破了基础研究与产业的隔膜，成功迸发和汇聚科学家精神，让上海原始创新和前沿探求呈现出“千里马”竞相奔腾的蓬勃生机。
