文章源自：《中国科技人才》杂志2016年第2期
原标题为：《战略科学家的视野与理智固守——专访全省政协委员、量子通讯专家潘建伟教授及其科研团队》
记者：朱广清冯琬婧
记者札记：“基于量子理论所开发下来的笔记本、手机、激光以及和平借助核能等量子技术,其惠及人类社会已半个多世纪。但是，有关量子世界的种种奇特特点,至今人们仍然蒙蔽不解，争辩不休。近来几六年，量子信息的发展,为人类提供了探求量子世界奥秘的新原理、新方式，‘量子热学二次革命’的鼓声早已叩响。”中国科大学教授、中国科学技术学院院长郭光灿，应本刊非常约请，撰文简略梳理量子热学里程碑风波及前沿热点，借此，人们可饱览潘建伟率领一支青年科学家团队是怎么站在量子前沿制高点，以前瞻视野创新出一种崭新模式解决通讯安全这道世界困局；得益于我国集中力量办大事的传统，以及“海归”科学家的“家国情结”，致使我国在量子通讯领域开始领跑世界。
刚才过去的2015年末，美国数学学会新闻网站《物理世界》，公布了该年度国际数学学领域10项重大突破，中国科大学教授、中国科学技术学院院长潘建伟及其团队成员陆朝阳等完成的“一个基本粒子的多自由度量子隐型传态”入选并名列榜首。评审委员会觉得，这项成果缩小了一些未来新技术与现实之间的距离，例如安全性能牢不可破的通讯设备、运算速率比昨天快几万亿倍的计算机。
明年年初，潘建伟及团队的“多光子纠缠及干涉测度”，获2015年度我国国家自然科学奖银奖。有媒体称此成果为“弯道会车神器”。
至此，我国量子通讯领域开始领跑世界。
2月1日及3日、4日，潘建伟及其团队，中国科学技术学院有关人士，陆续接受了本刊记者的采访。
1.通讯安全是自古以来的永恒话题，也是当代世界困局，加密技术不断升级与加密算法不断被破解，致使密码学中的矛与盾处于恒久的博弈之中。十几年来，他与他的团队站在量子热学前沿制高点上与高明的监听者“斗法”
访谈步入通讯安全话题，潘建伟直指2000多年前的古战场。
“人们想以安全的方法共享一些看法或秘密，最早可溯源到古埃及的军事行动。当时指挥官发布命令是用密码棒，经战士传递给作战首领，再将布匹缠绕在棒上烙印，密码即可读出。凯萨大帝时期，人们将字母做些改换，例如，A用C替代、B用E取代，尔后按照密码本对译，就可读出信息。2000多年来，密码成为人们保护信息的主要手段。现代社会，无论国防、政务还是网路、金融，通讯安全技术须臾不可离开。由此，通讯安全是自古以来的永恒话题，也是当代世界困局，为现今世界各国的重大战略需求。”
潘建伟强调，随着加密技术不断升级和加密算法不断被破解，密码学中的矛与盾便处于恒久的博弈之中。
这么，有没有一种绝对不被破译的通讯方法，彻底解决通讯安全困局？
潘建伟向记者娓娓道来：
1949年，信息论及数字通讯奠基人香侬证明，假如秘钥是随机的、密钥与明文宽度一样且一次一密、不重复使用，那就可保证这些加密方式绝对安全。
但是，这是构建在秘钥本身是安全的前提之下。怎样形成并分发安全的秘钥呢？
基于量子热学中量子的不可分割性、量子状态的测不准性和未知量子态不可精确克隆3大原理，原则上可以实现难以被监听的安全通讯。
潘建伟说，“在悬疑小说中，人们常常想像时间可以倒流。时间可以倒流就意味着因果性可以改变。但是到目前为止，化学学所有原则中，因果性是最宝贵的原则，它是不能改变的，假如因果秩序颠倒，我们的世界就无因无果，那是目前所有化学学原理所不容许的。”他说，在香侬提出无条件安全的加密原则50年后的2009年，研究证明采用量子手段可达到安全秘钥分发目的：只要因果性创立，量子秘钥分发就是安全的。
量子和信息的结合，最初来自1935年爱因斯坦等人对量子力学完备性的指责，即EPR佯缪。浅显地讲，量子纠缠，是两个或更多粒子，虽然远隔千山万水也瞬时互相关联的现象。根据相对论定域性，处于类空间隔的两粒子，表现为对一个粒子的检测，不会对另一个粒子形成影响；但是量子热学却觉得，处于量子纠缠的两个粒子，对一个粒子的检测，会顿时改变另一个粒子的状态，这就是量子热学非定域性。伟大的爱因斯坦甚至称量子力学非定域性为：“遥远地点之间的奇特互动”。随着对量子非定域进行实验检验的深入，人们渐渐把握了对微观粒子的量子状态进行人工调控的能力，在20世纪80年代，量子热学与信息科学相结合，诞生了一门新型交叉学科——量子信息学，主要包括量子通讯和量子估算，为确保信息安全和提升估算速率提供了全新的方案。
100多年前的1900年，美国化学学家马克思·普朗克最先提出“量子”的概念，引起量子热学形成；1972年，澳洲化学学家克劳泽等通过实验否认，微观粒子“遥远地点之间的奇特互动”现象真实存在；1984年，IBM公司的本内特和英国爱丁堡学院的布拉萨德，率先提出量子秘钥分发合同即BB84合同，知名的BB84理论产生，它标志着量子密码学即将诞生；1992年第一个量子密码实验演示完成。随后，世界各国的量子化学学家开始旨在于量子密码的实用化。
……
就在量子热学诞生100多年后的2001年，潘建伟在中国农大成立量子信息实验室，他与他的青年科学家团队开始站在量子热学前沿制高点上，与这些高明的监听者“斗法”。
2.青年科学家们衷心佩服他的前瞻视野、洞察力与领导力，他站在前人“肩”上的创新模式，以及我国集中力量办大事的传统和老一辈“海归”科学家的“家国情结”，最终让我国在量子通讯领域领跑世界
●“逆向思维”选导师
“1996年，我出国攻读博士学位，到底师从哪一位导师，当时有两个选择，一是包括诺贝尔奖获得者在内名气更大一些的导师，还有就是我当时的导师——奥地利因斯布鲁克学院院长塞林格（）。那时，在同时期出国留学人员中，好多人选择年纪稍大一些的诺奖获得者或俄罗斯科大学教授，而我的导师当初名气还没这么大，他50岁，活跃在前沿，正处于创造的高峰期。经过了解，我觉得他的研究在当时是最好的，便决定师从他。”
后来，潘建伟的导师塞林格院士，以其创造性的研究工作推进了整个量子信息学科的发展，由此他被誉为量子信息实验先驱之一。
读大二时，潘建伟接触到了量子热学。但是一开始就被“量子叠加”概念搞糊涂了——一个人要么在北京要么在上海，如何会同时在北京和上海呢？“当时，我们已被牛顿热学的美妙所征服，而量子热学上述概念，在我看来，它与牛顿热学完全格格不入”。
“越是稀奇奇特越想拚命厘清楚”。就这样，潘建伟选择了量子热学研究方向，并与量子“纠缠”至今。
1997年，来到因斯布鲁克学院仅一年，潘建伟与法国学者丹巴斯特等人合作，开创性地实现了量子态隐型传输，在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送至乙地的光子上，这在国际上尚属首次。印度数学学会、欧洲数学学会与国际权威杂志《科学》，将其评为该年度“全球十大科技进展”。
●质疑声中建实验室
“初到英国，我的导师就问我将来有哪些准备，我说想在中国构建世界领先的量子实验室。”
潘建伟出国留学之时，量子信息学已成科学前沿热点，他敏锐地觉察到其科学价值与宽广的应用前景。由此，从1998年开始，潘建伟每年都借助暑假回到中国农大讲学，并通过各类渠道为我国量子信息科学的发展提出建议。但是最初几年，他的建议并未造成人们注重。有人不解：研究数学的人如何去搞信息科学、去搞估算呢？甚至有人觉得这像是伪科学，是不务正业。2001年，潘建伟最先获得中科院和国家自然科学基金委的经费支持，在中国农大成立量子化学与量子信息实验室。与此同时，他开始找寻志同道合者，拟成立一个优势互补的科研团队。
●创新一种崭新模式
建设世界一流的实验室并非易事。潘建伟发觉自己仅仅一只脚踏入科学殿堂，所获知识还不足以在国外独立地支撑一个实验室，于是，一种创新模式在脑海中浮现——他向中科院和中国农大提出，新成立的实验室能够在美国构建一个“龙头”，站在前人“肩”上，将知识日渐搬运回去？
最初，潘建伟采取在美国遥控的办法，订购什么设备、开展什么实验研究⋯⋯“我们是以这样的形式，一丁点一丁点把知识搬运回去了。到2003年量子通讯潘，我们的理论研究和实验项目都取得了较好成果，那一年，国际数学学术刊物《物理评论快讯》一连刊发了我们7篇文章。”潘建伟说，当时在《物理评论快讯》上发表文章是很难的事。
从2003年到2008年，潘建伟接连派遣他团队中的好多年青人，到美欧世界顶尖实验室深造。“我们的量子通讯研究须要核心的单光子侦测技术，就把张强派往英国耶鲁学院、把张军送往法国日内瓦学院；须要超冷原子调控技术，就把陈宇翱派到法国法兰克福马普研究所；须要量子点光源技术，就把陆朝阳送往美国剑桥学院；据悉，派往美国学习的还有赵博、包小辉等。”
“由于经费并非出自我国捐助而是申请的美国项目，因此没有任何约束力要求那些年青人学成归国，但是令人惊讶的是，先前约定学成回去报效祖国的每一个人，全部按量回去了”。潘建伟将此演绎为：他与她们的“心灵契约”与共同理想。
“到2004年，我们发觉还有一种知识没把握，即量子储存技术，而量子态不能储存则未能实现可扩充的量子信息处理。在中科院以及后来教育部和中国农大的支持下，我们又在美国海德堡学院‘设点’，学习和积累这方面知识。海德堡学院的数学学专业是强项，尤其是用冷原子做量子储存有过硬技术。”
2008年，潘建伟将建在日本海德堡学院的实验平台整体搬回中国农大。
2012年，潘建伟团队在国际上首次成功地实现了百公里量级自由空间量子隐型传态和纠缠分发。当初12月，国际权威学术期刊《自然》将该工作评比为“年度十大科技亮点”之一。《自然》在报导这一工作的新闻特稿《量子太空大赛》中指出“在量子通讯领域，中国用了不到10年时间，由一个不起眼的国家发展成为现今的世界劲旅，将领先于亚洲和北美。”
●前瞻性源自敏锐洞察
访谈中，青年科学家们述说得最多的是她们的学术带头人潘建伟的前瞻性，洞察力与领导力。她们举例说：
“精确对准光晶格的激光光路，是获得超流-绝缘态相变的关键技术，我们在实验的优化过程中，遇到了参与判据不灵敏、系统常年稳定性差等问题。潘老师提早布局，安排研究团队的陈宇翱到法兰克福学院的Bloch小组学习，积累光晶格实验经验。陈宇翱学成归国，依据我们实验的特征，提出了灵敏的光路对准判据，并建议在特殊位置使用压电调整架提高光路调节的确切性和可重复性。同时，我们改建了精密空调并优化实验平台温控系统，解决了该系统因为低温甩尾带来的不稳定性问题。”
“并行地高保真度操控单原子载流子技术，是在光晶格中制备多粒子纠缠的基本技术，这在国际上是一个非常具有挑战性的困局。我们通过多轮讨论，并在实践中找寻办法，在借鉴前人超晶格技术的前提下，创造性地提出了载流子依赖的长短晶格相结合方式。潘老师当即安排一名博士研究生专攻这一方案，经过悉心设计和持续实验的建立，总算实现了最初构想的载流子依赖的超晶格系统，并使用不同频度的微波分别耦合左右格点和不同载流子，解决了这一困局，为大尺度纠缠态的制备奠定了基础。”
●“集中力量办大事”与“家国情结”
最令潘建伟感动的是，当初在人们指责的眼神中设立实验室，他申请经费200亿元，而中科院基于更长远的考虑，一举支持了400万。
在自由空间，环境对光量子态的干扰效应极小，而光子一旦穿透大气层步入内层空间，其耗损即接近于零，这促使自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更具优势。基于卫星平台的量子通讯，可实现全球化广域量子通讯网路。因此，中科院仍然大力支持潘建伟团队。在潘建伟团队2005年首次实验验证了突破大气层实验光量子传输可行性基础上，中科院于2007年起超常规布署了两个知识创新重大工程项目，为星地量子通讯各项关键技术研究做方方面面的打算。经过几年的技术发展后，2011年，中科院启动了“量子科学实验卫星”先导专项。
潘建伟说，量子通讯的信息载体一般为单光子，需确切侦测并记录每位单光子讯号抵达时间，而通讯双方常常相距遥远，分别拥有各自的时间基准，这就要在通讯双方之间实现高精度时间同步。潘建伟说，因为卫星飞得特别快，每秒钟七八公里，要保证将天上的光接收到地面并与设备对接得上，其难度可想而知：大气是晃动的，天上星星在闪动说明光线是不稳定的，因此这真像是“针尖对麦芒”。他说，“基于我们的量子技术，又得益于中科院武汉技物所和光电技术研究所的天地光跟瞄技术，恰逢中科院还有微小卫星工程中心，正是在中科院前瞻性布局下，集中了种种优势元素，因此在量子卫星方面，我国也走到了世界前列。
潘建伟有感于我们国家“集中力量办大事”的传统，感叹老一辈科学家的“家国情结”。他告诉记者，在中国农大的历史上记载着这样一段旧事：当初从美国回到祖国的科学你们钱学森、郭永怀等，曾责成中央建议构建一所新型学院——中国科学技术学院；而近代化学系首任系院长赵忠尧，是最早观察到正电子讯号也即反物质的科学家，但是阴差阳错与诺贝尔奖擦肩而过。他衷心地希望我们的祖国繁荣兴盛，希望后世有为青年继续为之努力。
3.十四两年磨一剑，过五关斩六将，几经困扰又峰回路转，海德堡学院的哲学家大路留下了她们的脚印，中国农大校园的夜幕中常见她们的身影
十四两年磨一剑，过五关斩六将。
潘建伟对记者说，“不管遇见多少磨难，我们的目标很明晰，最终实现量子通讯实用化。首先，要让它真正地安全；据悉，要把距离做远，其中一方面是要研究自由空间，另一方面是要研究量子中继和量子储存。这么，就要发展一系列技术，例如，关于安全，须要引诱态光源和检测元件无关的量子秘钥分发技术；要把量子储存发展上去，就须要冷原子技术，而自由空间则须要自适应光学技术等。”
“根据大目标的确定，我们产生了‘路线图’，但是路线不一定是确定的，有可能这条路走不通，再走另外一条路。实际上是起点定了、终点定了，之后按照这两个终端阐述哪条路走得通，各类各样的问题如何一个个解决。”
实用化量子通讯探求，几经困扰又峰回路转。
潘建伟这样述说她们发觉并“堵”上现实条件下量子通讯中的两大安全漏洞：
“其一，量子秘钥分发的理论方案要求理想的单光子源，目前在现实条件下是用弱相干光源——只有很小的机率在每位脉冲里有一个光子——来取代其实小但是这引起更小的机率会有2个一模一样的光子。假如这时有个监听者，我们假设他的技术比较高明，还会抢走一个光子，留下另一个光子让秘钥继续形成，这样他就可以100%监听了。因而，往年用弱相干光源实现的量子秘钥分发的安全距离只有10公里量级，且速度很低，不具备实用价值。当初团队中的朋友、后来的北大学院院长王向斌等在2005年提出一个方案：采用‘诱骗态’量子秘钥分发，虽然使用弱相干光源，也能克服多光子风波带来的安全隐患，这样才能把安全距离一举拓展到几百公里。”
“其二，光源漏洞虽已被王向斌的理论和我们的实验研究解决了，但是终端侦测器又殉职题。如同人的耳朵突遇强光，眼前一黑哪些都看不清，我们的侦测器也是这么：强脉冲进来，侦测器就看不到讯号，这么监听者就有办法只让你看见他想让你看见的讯号，就又可100%监听。2013年，我们在国际上首次实验实现了所谓‘测量元件无关的’量子秘钥分发，完美解决了所有针对侦测系统的功击。历经一年多的实验探求，我们发展了高速独立激光干涉技术，结合中科院北京微系统研究所自主研制的高效率、低噪音超导纳火锅单光子侦测器，将该合同的安全距离突破至200公里，并将成分辨率提升了3个数目级，实用价值大大提高。就这样，发射端、接收端的安全漏洞全部堵死上了。”
在潘建伟看来，从2001年到2004年，是她们的知识储备阶段；而在2004年这一年，她们早已推出独立创新成果：多光子纠缠取得较大突破，在国际上首次实现5光子纠缠和终端开放的量子态隐型传输。因此我国的科研工作第一次被德国化学学会和美国数学学会同时评为年度数学学重大突破，《自然》杂志称她们“完成了一次创举”。
潘建伟说，多光子纠缠的意义，正如2012年诺贝尔化学学奖获得者所强调的，“纠缠粒子数越多，量子热学非定域性越强烈，对量子信息处理也越有用。”5个粒子纠缠在一起，功能还不够强悍，倘若能把100个粒子纠缠在一起，那就很强悍。假如制造一个量子计算机，上面有100个储存元，才能处于2100个状态的相干叠加。相比精典计算机，量子计算机可以对2100个数同时进行估算，由此可带来估算能力重大飞越。例如求解亿亿亿变量的多项式组，借助亿亿次的“天河二号”需要100年时间，而借助万亿量子计算机只需0．01秒钟。
“怎样能够让粒子纠缠得越来越多？这就须要储存，让纠缠态‘活’得长久一点。因为这些态太脆弱，因此要把它保护在一种环境中，不要有干扰，要把噪声隔绝掉，那就须要绞尽脑汁，发展各类各样的技术。”
2005年，潘建伟团队的科研工作开始步入一种良性循环，而且开辟了一个新的方向——开始探求在自由空间实现更远距离的量子通讯。她们的自由空间技术，为后来的量子科学实验卫星打下了比较好的基础；而量子卫星的发射，将在国际上率先实现高速星地量子通讯，初步建立我国广域量子通信体系，产生天地一体的全球化量子通讯基础设施与下一代国家主权信息安全生态系统。
2016年下半年，“京沪干线”将建成，将成为联接天津、济南、合肥、上海等城域网路且全长2000多公里的量子保密通讯线路，因而成为全球首个远距离广域光纤量子保密通讯骨干线路。同样是在2016年，由潘建伟兼任首席科学家的量子科学实验卫星将发射升空，“天地一体化”的广域量子通讯网路将初步实现。
有人说，在美国海德堡，有一条知名的“哲学家大路”，黑格尔当初曾在这条大路上徜徉思索，马克·吐温、歌德、席勒等人都曾在这条小道上留下足迹。潘建伟团队的青年科学家说，这儿也留下了她们与潘老师的足迹。中国农大的老师们说，在中国农大校园的夜幕中常见潘建伟及团队的身影。
相关链接:
潘建伟科普“多光子纠缠与干涉测度”
量子是个哪些概念？例如茶水，细分会成为一个个水份子，水份子就是保持水的物理性质的最小单元；空气细分，最后会弄成一个个氧原子、氢原子、氮、氦等最小的颗粒。这么，太阳光照过来，会不会也是由小颗粒组成，或连续可以无限细分的能量组成的？通过研究，倘若将太阳光不断地衰减，最后发觉太阳光的能量也是一份一份的，这一份份的能量单元就是光量子，简称光子。这么，它的能量是哪些？人们晓得，光具有波粒二象性，它是电磁波也是微粒；光有震动频度，频度×普朗克常数，为光能的最小单元。光子可以有不同的震动方向，我们可以定义沿水平震动时称0，沿竖直震动称1，这样就可以加载一个比特的信息了。但是光子的震动方向除了可以处于“0”或“1”，量子叠加原理告诉我们，光子的震动方向还可以处于“0+1”或“0-1”等这样的相干叠加状态。这是微观粒子区别于宏观物体的主要性质之一。
对单光子的调控，可以实现无条件安全的量子通讯。
就像水份子不能再细分1／2一样，光子也不能再分成1／2。这意味着，用单光子发送讯号时，假如中间有人在监听，这么，光子要么被抢走要么还在。量子通讯安全性的要诀在于：我们用单光子来送秘钥，假若光子被监听者取走了，这么这个秘钥我们就不要了；若果没有被取走，我们就可以用这个光子形成秘钥。监听者也许会说，我能不能拍个照，照相不就把信息复制同时又保留原先的光子了吗？可是，量子态的叠加性质决定，对未知量子态的检测会打掉原先的状态，才会发生干扰。虽然光子没被取走，但在这一过程中，他会留下痕迹。凭着这一痕迹，我们可以发觉监听行为，并把遭到监听的光子丢弃，而剩下的秘钥又可以是安全的。与精典密码基于估算复杂度的安全性不同，量子密码基于数学学基本原理的安全性，只要量子热学是正确的，量子通讯的安全性就从原理上得到保障，而不会遭到估算能力提高带来的恐吓。
量子热学还告诉我们，单个光子可以处于“0+1”的叠加状态上，两个光子还可以处于“00+11”的状态，这些状态就称为量子纠缠。对多粒子纠缠的相干操纵，可以实现具有强悍估算能力的量子估算。
举例说，我们这个屋子可以坐5个人，每位人有2种状态——高兴或不高兴，即0或1。这么，5个人可以有2的5次方状态，总共就这几种组合。但是，在某一时刻，你肯定处于高兴或不高兴的某一种状态，所以，在我们每三天生活的世界中，我们5个人在某一时刻只能出现2的5次方这些可能性中的某一种状态。并且，到了量子世界，5个光子就可以同时处于2的5次方这些状态的相干叠加。这么，对于这些叠加状态，5个粒子还无甚了不起，2的5次方总共只有32种状态同时存在。但是，倘若实现了100个粒子的相干操纵，它可以处于2的100次方个状态的相干叠加，这么相比精典计算机，量子计算机原理上就可以同时处理2的100次方个数据。这是一个十分巨大的数字，假若一个系统处于如此大的纠缠态，这么它的估算速率就比人们现今所用的电子计算机快得多。例如，有一类问题叫“玻色采样”，它的估算复杂度是随着粒子数的降低而指数下降的。理论表明量子通讯潘，目前最好的商用CPU只能处理约25个粒子的玻色采样，而目前最快的超级计算机“天河2号”能处理约45个粒子。假如量子计算机才能达到100个粒子的相干操纵，这么它对于处理这类问题的能力就可以达到“天河2号”的百亿亿倍！
所以，我们这个项目称作“多光子纠缠及干涉测度”，就是希望多光子纠缠上去，对它进行操纵，实现信息的调制、传输与侦测，就可广泛用于量子通讯、量子估算等方面。
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