潘建偉

        為量子計(jì)算鋪平道路

        2008年1月20日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授的成果，“實(shí)現(xiàn)六光子薛定諤貓態(tài)”入選2007年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞。這是潘建偉信息與量子物理創(chuàng)新群體的研究成果，在最近五年內(nèi)第四次入選“中國(guó)十大科技進(jìn)展”。 
        潘建偉等通過(guò)對(duì)多光子操縱技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了由六個(gè)光子極化狀態(tài)相干疊加形成的薛定諤貓態(tài)，并在同一裝置上實(shí)現(xiàn)了可以直接用于量子計(jì)算的六光子簇態(tài)。該項(xiàng)研究成果以封面標(biāo)題的形式發(fā)表在最新一期英國(guó)《自然》雜志的子刊《自然物理》上。審稿人給予高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為是“光學(xué)量子計(jì)算領(lǐng)域至今最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)工作”，“一個(gè)出色的成就，為量子計(jì)算、量子糾錯(cuò)和量子力學(xué)基本問(wèn)題的研究鋪平了道路?！边@一成果表明，我國(guó)在多粒子糾纏研究領(lǐng)域再次成功超越美國(guó)、德國(guó)和奧地利等發(fā)達(dá)國(guó)家，保持了國(guó)際領(lǐng)先水平。
        量子糾纏是量子物理世界里面特有的奇異現(xiàn)象。這不僅是量子力學(xué)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是量子信息處理中的核心技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，多粒子糾纏是研制具有超級(jí)計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)的必備條件。因此，在很大程度上，一個(gè)國(guó)家多粒子糾纏操縱的發(fā)展水平就代表了其駕馭量子計(jì)算的能力。
        貓態(tài)的概念，來(lái)自量子力學(xué)的奠基人之一薛定諤在1935年提出的一個(gè)著名的佯謬，即箱子里面的一只貓不是死的也不是活的，而是同時(shí)處于死和活的狀態(tài)。盡管這種薛定諤貓態(tài)在宏觀世界是不存在的，然而在微觀世界里科學(xué)家們可以用光子或者原子來(lái)制造這樣一種貓態(tài)。而簇態(tài)是近年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的一種比貓態(tài)糾纏更加緊密的糾纏態(tài)，這種獨(dú)特的性質(zhì)使它成為單向量子計(jì)算機(jī)的物理載體。

潘建偉在指導(dǎo)學(xué)生

        “第二都是失敗”

        潘建偉1970年3月出生在浙江東陽(yáng)，1987年考入中國(guó)科技大學(xué)。中國(guó)科大濃郁的學(xué)習(xí)氛圍對(duì)潘建偉的全面成長(zhǎng)產(chǎn)生重要影響。他說(shuō)：“當(dāng)時(shí)我們班上的高考狀元就有7個(gè)，同學(xué)們的素質(zhì)都很高。我從同學(xué)們那里學(xué)到了很多，對(duì)音樂(lè)的濃厚興趣，就是受大學(xué)同學(xué)的影響。全面發(fā)展對(duì)我的人生起了很大的作用?！?995年獲得理論物理碩士學(xué)位，1996年到奧地利維也納大學(xué)攻讀博士學(xué)位，師從于量子力學(xué)的世界級(jí)大師塞林格。他從老師那里獲得了許多量子信息前沿領(lǐng)域的最新知識(shí)，同時(shí)，潘建偉敏銳地感受到這一學(xué)科將是物理學(xué)未來(lái)發(fā)展的重要方向。從此以后，他密切追蹤國(guó)際前沿，不斷努力，持續(xù)創(chuàng)新，始終走在世界量子科技的前沿。
        “在原創(chuàng)性研究領(lǐng)域,第二都是失敗!”潘建偉認(rèn)為，科學(xué)研究必須始終盯著“第一”做文章。1997年，潘建偉和他的同事首次成功地實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳送，歐洲物理學(xué)會(huì)、美國(guó)物理學(xué)會(huì)分別評(píng)選該成果為1997年度世界物理學(xué)的十大進(jìn)展之一。他們的量子糾纏態(tài)交換的研究成果，被《科學(xué)》雜志評(píng)選為1998年度全球十大科技進(jìn)展之一。1999－2001年，他們首次成功實(shí)現(xiàn)三光子、四光子糾纏態(tài)，并利用多粒子糾纏態(tài)首次成功地實(shí)現(xiàn)了G HZ定理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

        遠(yuǎn)距離量子通信的飛躍

        1999年5月英國(guó)《自然》雜志出版的慶祝美國(guó)物理協(xié)會(huì)成立100周年特刊，從百年來(lái)該雜志發(fā)表過(guò)的近代物理學(xué)論文中選出并刊登了各領(lǐng)域的21篇經(jīng)典之作，潘建偉等完成的《量子態(tài)隱形傳輸實(shí)驗(yàn)研究》論文與1896年倫琴關(guān)于X射線的論文，1921年愛(ài)因斯坦介紹相對(duì)論發(fā)展的論文，1923年德布羅意關(guān)于波粒二象性的論文等一同入選?！蹲匀弧诽乜Q(chēng)：“選登這些論文的目的在于祝賀物理學(xué)方面的原創(chuàng)性和普適性以及它對(duì)其他領(lǐng)域的促進(jìn)?！蹦且荒?，潘建偉才29歲。 
        2001年,潘建偉入選“中科院引進(jìn)國(guó)外杰出人才”后,回到中國(guó)科大,和他的碩士導(dǎo)師張永德教授以及同事楊濤、陳增兵等人白手起家,組建了量子物理與量子信息實(shí)驗(yàn)室。他帶領(lǐng)科研人員專(zhuān)心從事量子信息基礎(chǔ)和應(yīng)用方面的研究,將我國(guó)多粒子糾纏態(tài)實(shí)驗(yàn)研究迅速帶入國(guó)際領(lǐng)先水平。 
        2003年，潘建偉的科研團(tuán)隊(duì)首次成功地實(shí)現(xiàn)了自由量子態(tài)的隱形傳送和糾纏態(tài)純化以及量子中繼器的成功實(shí)驗(yàn)。這一研究成果，從根本上解決了遠(yuǎn)距離量子通訊中由“退相干效應(yīng)”帶來(lái)的困難，并將極大地推動(dòng)可容錯(cuò)量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)研究，被國(guó)際科學(xué)界譽(yù)為“遠(yuǎn)距離量子通信研究的一個(gè)飛躍”。他們的研究成果被歐洲物理學(xué)會(huì)評(píng)選為2003年度國(guó)際物理學(xué)十大進(jìn)展，并獲得2003年度奧地利科學(xué)院獎(jiǎng)。
 
        首次實(shí)現(xiàn)“五粒子糾纏態(tài)的制備與操縱”

        “多粒子糾纏態(tài)的制備與操縱”是國(guó)際上量子物理與量子信息研究領(lǐng)域長(zhǎng)盛不衰的研究熱點(diǎn)。如何把量子糾纏應(yīng)用到量子計(jì)算和量子通信中還面臨著巨大挑戰(zhàn)，為確保量子計(jì)算的可靠性，就必須掌握量子糾錯(cuò)這一最關(guān)鍵的技術(shù)。潘建偉教授和他的同事楊濤、趙志等在中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程、科技部“973”計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目支持下，經(jīng)三年艱苦努力，終于攻克了種種技術(shù)難關(guān)，2004年，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了“五粒子糾纏態(tài)的制備與操縱”。該項(xiàng)成果刊發(fā)在《自然》雜志上，審稿人稱(chēng)贊說(shuō)，“盡管五粒子糾纏以及終端開(kāi)放的量子態(tài)隱形傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)非常困難，但是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉教授和他的同事們完成了這一壯舉，他們的實(shí)驗(yàn)方法將在量子計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)化的量子通信中有重要的應(yīng)用”。
        潘建偉小組的開(kāi)創(chuàng)性工作得到國(guó)際同行的高度評(píng)價(jià)，2004年12月1日，該研究組的論文“五光子糾纏和終端開(kāi)放的量子態(tài)隱形傳輸”入選由美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的2004年度國(guó)際物理學(xué)十大進(jìn)展，這是美國(guó)物理學(xué)會(huì)首次將中國(guó)科學(xué)家在國(guó)內(nèi)取得的研究成果選入國(guó)際物理學(xué)年度十大進(jìn)展。12月23日，該項(xiàng)成果入選歐洲物理學(xué)會(huì)評(píng)選的2004年度國(guó)際物理學(xué)十大進(jìn)展。歐洲物理學(xué)會(huì)新聞網(wǎng)站在評(píng)述2004年國(guó)際物理學(xué)重要突破時(shí)指出：“今年許多重要的物理學(xué)進(jìn)展都與一百年前愛(ài)因斯坦關(guān)于光量子理論以及相對(duì)論等工作一脈相承”；由于本年度“純粹以及應(yīng)用量子物理學(xué)”研究方向上取得了一系列重大突破，因而被選為年度國(guó)際物理學(xué)十大進(jìn)展之首。

        科學(xué)研究是追求內(nèi)心的快樂(lè)

        量子保密通信技術(shù)通過(guò)單一光子或糾纏光子來(lái)傳送信息，由物理原理保證了其絕對(duì)安全性。但是由于光子在光纖中傳輸時(shí)容易被吸收而嚴(yán)重?fù)p耗，遠(yuǎn)距離光纖量子保密通信的難度較大。雖然科學(xué)家們已經(jīng)在光纖量子密碼的相關(guān)研究中取得了一定進(jìn)展，光子在光纖中的大量損耗卻使得量子密碼在光纖中的最大傳輸距離被限制在100公里左右。
        潘建偉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組于2003年開(kāi)始研究自由空間量子通信。他們選定位于合肥市郊海拔281米的大蜀山電視發(fā)射塔為第一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，在此制備出成對(duì)的糾纏光子，再利用兩個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)加工的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡將容易發(fā)散的細(xì)小光束“增肥”后向東西相距13公里的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)站送出。在該實(shí)驗(yàn)中，他們通過(guò)“自由空間糾纏光子的分發(fā)”，在國(guó)際上首次證明了糾纏光子在穿透等效于整個(gè)大氣層厚度的地面大氣后，其糾纏的特性仍然能夠保持，并可應(yīng)用于高效、安全的量子通信。這一研究成果為實(shí)現(xiàn)全球化的量子通信奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。英國(guó)《新科學(xué)家》以《長(zhǎng)城—開(kāi)啟全球化量子通信之密匙》為題報(bào)道了這一工作以及他們未來(lái)的研究計(jì)劃。
        同年6月8日，歐洲物理學(xué)會(huì)授予潘建偉2005年度菲涅爾獎(jiǎng)。8月20日，中國(guó)科協(xié)授予潘建偉“求是杰出科學(xué)家獎(jiǎng)”，以表彰他在量子態(tài)隱形傳輸、量子糾纏純化以及多光子糾纏等量子信息實(shí)驗(yàn)研究中做出的杰出貢獻(xiàn)。
        面對(duì)這一系列的榮譽(yù)，潘建偉比較淡然，他說(shuō)：“得獎(jiǎng)對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，是因?yàn)樾疫\(yùn)而得到的獎(jiǎng)賞，是對(duì)團(tuán)隊(duì)、集體工作的一種肯定，也是對(duì)祖國(guó)多年培養(yǎng)的回報(bào)。我從事科學(xué)研究的動(dòng)力不是得獎(jiǎng)，而是追求內(nèi)心的快樂(lè)。”

        追蹤國(guó)際上最新的科研進(jìn)展

        潘建偉說(shuō)，搞科學(xué)研究，首先是要追蹤國(guó)際上最新的科研進(jìn)展。一方面，自己要有想法，在樹(shù)立目標(biāo)的時(shí)候就應(yīng)該知道什么是最重要的、什么是最困難的、什么是經(jīng)過(guò)努力能夠達(dá)到的；另一方面，要與國(guó)際同行加強(qiáng)交流。作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)科學(xué)家，一不能脫離國(guó)際上的大的學(xué)術(shù)環(huán)境，二不能脫離國(guó)內(nèi)的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)?！叭绻粋€(gè)充滿(mǎn)朝氣和合作精神的科研團(tuán)隊(duì)每天都探索新的東西，同時(shí)又有機(jī)會(huì)與國(guó)外的同行交流，那么通過(guò)交流，你就會(huì)產(chǎn)生很多新的想法，日積月累，你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己越做越好。這是我從事多年研究所獲得的重要經(jīng)驗(yàn)?！?BR>        良好的科研氣氛，與國(guó)際前沿小組聯(lián)系緊密，加上明確的目標(biāo)和堅(jiān)定的決心，年輕的潘建偉凝聚了一支以年輕博士生為主體、學(xué)術(shù)思想活躍、富有創(chuàng)新開(kāi)拓精神、具有沖擊國(guó)際前沿能力的學(xué)術(shù)隊(duì)伍。作為一位領(lǐng)軍人物,潘建偉以獨(dú)到而具有前瞻性的眼光，領(lǐng)導(dǎo)著研究小組翱翔在量子科學(xué)的前沿。2006年，該研究小組關(guān)于“單光子量子態(tài)遠(yuǎn)程克隆”的研究成果再次入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)國(guó)際物理學(xué)年度重大進(jìn)展。

        光子糾纏和量子計(jì)算的新記錄

        2007年，潘建偉研究小組成功制備出國(guó)際上糾纏光子數(shù)最多的薛定諤貓態(tài)和可以直接用于量子計(jì)算的簇態(tài)，刷新光子糾纏和量子計(jì)算領(lǐng)域的兩項(xiàng)世界記錄。之后又在國(guó)際上首次利用光量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了Shor量子分解算法。
        量子分解算法是在1995年由美國(guó)科學(xué)家PeterShor提出來(lái)的，是量子計(jì)算領(lǐng)域至今最為著名的算法。這個(gè)算法利用量子計(jì)算的并行性，可以快速分解出大數(shù)的質(zhì)因子，使得量子計(jì)算機(jī)能夠破解目前廣泛使用的密碼如RSA公鑰加密系統(tǒng)，嚴(yán)重威脅到銀行、網(wǎng)絡(luò)和電子商務(wù)等的信息安全。因此，Shor算法的提出迅速掀起了世界各國(guó)對(duì)量子計(jì)算研究的巨大熱情和大量資金投入，對(duì)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)、尤其是國(guó)家安全有著極其廣泛和深遠(yuǎn)的影響。
        為了實(shí)現(xiàn)真正具有量子特性的Shor算法，潘建偉小組選擇光子比特這樣一種抗退相干能力強(qiáng)、單比特操縱精確的物理體系，系統(tǒng)地發(fā)展了一套國(guó)際領(lǐng)先的多光子相干操縱和糾纏態(tài)制備的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。通過(guò)艱苦的方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)摸索，潘建偉等與英國(guó)牛津大學(xué)同事合作，在國(guó)際上首次用光子比特，也是首次用真正的純態(tài)量子系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)演示了關(guān)鍵性的Shor算法，實(shí)現(xiàn)了15=3×5這一質(zhì)因子分解，并且確認(rèn)了量子計(jì)算中多體純糾纏的存在，驗(yàn)證了量子加速的根源問(wèn)題。